النقل الآني الكمي هو أحد أهم البروتوكولات في المعلومات الكمومية. استنادًا إلى المورد المادي للتشابك ، فهو بمثابة العنصر الرئيسي لمهام المعلومات المختلفة ومكون مهم لتقنيات الكم ، ويلعب دورًا رئيسيًا في تطوير الحوسبة الكمية والشبكات والاتصالات.
من الخيال العلمي إلى اكتشاف العلماء
لقد مر أكثر من عقدين من الزمن منذ اكتشاف النقل الآني الكمي ، والذي ربما يكون أحد أكثر النتائج إثارة وإثارة لـ "غرابة" ميكانيكا الكم. قبل هذه الاكتشافات العظيمة ، كانت هذه الفكرة تنتمي إلى عالم الخيال العلمي. صاغ مصطلح "النقل الآني" لأول مرة في عام 1931 من قبل تشارلز هـ.
في عام 1993 ، تم نشر مقال يصف بروتوكول المعلومات الكمية ، يسمى"النقل الآني الكمي" ، والذي يشترك في العديد من الميزات المذكورة أعلاه. في ذلك ، يتم قياس الحالة غير المعروفة للنظام المادي ثم إعادة إنتاجها أو "إعادة تجميعها" في مكان بعيد (تظل العناصر المادية للنظام الأصلي في موقع الإرسال). تتطلب هذه العملية وسائل اتصال كلاسيكية وتستبعد اتصال FTL. يحتاج إلى مورد التشابك. في الواقع ، يمكن اعتبار النقل الآني بمثابة بروتوكول معلومات كمي يوضح بوضوح طبيعة التشابك: فبدون وجوده ، لن تكون حالة الإرسال هذه ممكنة في إطار القوانين التي تصف ميكانيكا الكم.
يلعب النقل الآني دورًا نشطًا في تطوير علم المعلومات. من ناحية ، هو بروتوكول مفاهيمي يلعب دورًا حاسمًا في تطوير نظرية المعلومات الكمومية الرسمية ، ومن ناحية أخرى ، فهو مكون أساسي للعديد من التقنيات. مكرر الكم هو عنصر أساسي في الاتصال عبر مسافات طويلة. النقل الآني للتبديل الكمي ، والحوسبة القائمة على الأبعاد ، والشبكات الكمية كلها مشتقات منها. كما أنها تستخدم كأداة بسيطة لدراسة الفيزياء "المتطرفة" فيما يتعلق بمنحنيات الوقت وتبخر الثقب الأسود.
اليوم ، تم تأكيد النقل الآني الكمي في المختبرات حول العالم باستخدام العديد من الركائز والتقنيات المختلفة ، بما في ذلك الكيوبتات الضوئية ، والرنين المغناطيسي النووي ، والأنماط البصرية ، ومجموعات الذرات ، والذرات المحاصرة ، وأنظمة أشباه الموصلات. تم تحقيق نتائج بارزة في مجال مجال النقل الآني ، والتجارب مع الأقمار الصناعية قادمة. بالإضافة إلى ذلك ، بدأت المحاولات لتوسيع نطاق الأنظمة الأكثر تعقيدًا.
النقل الآني للكيوبتات
تم وصف النقل الآني الكمي لأول مرة للأنظمة ذات المستويين ، ما يسمى بالكيوبتات. يأخذ البروتوكول في الاعتبار طرفين متباعدين ، يسمى Alice and Bob ، يتشاركان 2 كيوبت ، A و B ، في حالة متشابكة نقية ، تسمى أيضًا زوج بيل. عند الإدخال ، تُعطى أليس كيوبتًا آخر ، حالته ρ غير معروفة. ثم تقوم بعد ذلك بإجراء قياس كمي مشترك يسمى اكتشاف الجرس. يستغرق الأمر a و A لإحدى حالات Bell الأربع. نتيجة لذلك ، تختفي حالة كيوبت إدخال Alice أثناء القياس ، ويتم إسقاط Bob's B qubit في نفس الوقت على Р†kρPك. في المرحلة الأخيرة من البروتوكول ، ترسل أليس النتيجة الكلاسيكية لقياسها إلى بوب ، الذي يستخدم عامل باولي Pkلاستعادة ρ الأصلي.
تعتبر الحالة الأولية للكيوبت الخاص بأليس غير معروفة ، لأنه بخلاف ذلك يتم تقليل البروتوكول إلى القياس عن بُعد. بدلاً من ذلك ، قد يكون هو نفسه جزءًا من نظام مركب أكبر يتم مشاركته مع طرف ثالث (في هذه الحالة ، يتطلب النقل الآني الناجح إعادة إنتاج جميع الارتباطات مع هذا الطرف الثالث).
تفترض تجربة الانتقال الآني الكمي النموذجية أن الحالة الأولية نقية وتنتمي إلى أبجدية محدودة ،على سبيل المثال ، الأقطاب الستة لمجال بلوخ. في وجود فك الترابط ، يمكن قياس جودة الحالة المعاد بناؤها من خلال دقة النقل الآني F [0 ، 1]. هذه هي الدقة بين حالات Alice و Bob ، والتي تم حساب متوسطها على جميع نتائج اكتشاف Bell والأبجدية الأصلية. عند قيم الدقة المنخفضة ، توجد طرق تسمح بالانتقال الآني غير الكامل دون استخدام مورد مبهم. على سبيل المثال ، يمكن لأليس قياس حالتها الأولية مباشرةً عن طريق إرسال النتائج إلى بوب لتحضير الحالة الناتجة. تسمى استراتيجية التحضير للقياس "النقل الآني الكلاسيكي". لها دقة قصوى تبلغ Fclass=2/3 لحالة إدخال تعسفية ، والتي تعادل الأبجدية للحالات غير المتحيزة بشكل متبادل ، مثل الأقطاب الستة في كرة بلوخ.
وبالتالي ، فإن المؤشر الواضح على استخدام الموارد الكمية هو قيمة الدقة F> Fclass.
ليس كيوبت واحد
وفقًا لفيزياء الكم ، لا يقتصر النقل الآني على الكيوبتات ، بل يمكن أن يشمل أنظمة متعددة الأبعاد. لكل بُعد محدد d ، يمكن للمرء صياغة مخطط انتقال تخاطر مثالي باستخدام أساس متجهات الحالة المتشابكة إلى أقصى حد ، والتي يمكن الحصول عليها من حالة التشابك القصوى وأساس {Uk } العوامل الوحدوية التي ترضي tr (U†jUk)=dδj، k. يمكن إنشاء مثل هذا البروتوكول لأي هيلبرت ذات أبعاد محدودةفضاءات ما يسمى ب. أنظمة متغيرة منفصلة.
إلى جانب ذلك ، يمكن أيضًا توسيع النقل الآني الكمي ليشمل أنظمة ذات مساحة هيلبرت اللانهائية الأبعاد ، والتي تسمى الأنظمة المتغيرة المستمرة. كقاعدة عامة ، يتم تحقيقها بواسطة أوضاع بوزونية بصرية ، يمكن وصف المجال الكهربائي لها بواسطة مشغلي التربيع.
مبدأ السرعة وعدم اليقين
ما هي سرعة النقل الآني الكمي؟ تنتقل المعلومات بسرعة مماثلة لتلك التي يتم نقلها بنفس المقدار من الإرسال الكلاسيكي - ربما بسرعة الضوء. من الناحية النظرية ، يمكن استخدامه بطرق لا يمكن استخدامها بالطرق التقليدية - على سبيل المثال ، في الحوسبة الكمية ، حيث تكون البيانات متاحة فقط للمستلم.
هل ينتهك النقل الآني الكمي مبدأ عدم اليقين؟ في الماضي ، لم يتم أخذ فكرة النقل الآني على محمل الجد من قبل العلماء لأنه كان يعتقد أنها تنتهك المبدأ القائل بأن أي عملية قياس أو مسح لن تستخرج جميع المعلومات من ذرة أو شيء آخر. وفقًا لمبدأ عدم اليقين ، فكلما تم مسح الكائن بدقة أكبر ، زاد تأثره بعملية المسح ، حتى يتم الوصول إلى نقطة يتم فيها انتهاك الحالة الأصلية للكائن إلى درجة أنه لم يعد من الممكن الحصول عليها معلومات كافية لإنشاء نسخة طبق الأصل. هذا يبدو مقنعًا: إذا لم يتمكن الشخص من استخراج المعلومات من كائن لإنشاء نسخة كاملة ، فلا يمكن عمل آخر نسخة.
النقل الآني الكمي للدمى
لكن ستة علماء (تشارلز بينيت ، وجيل براسارد ، وكلود كريبو ، وريتشارد جوزا ، وآشر بيريز ، وويليام ووثرز) وجدوا طريقة للتغلب على هذا المنطق باستخدام الميزة الشهيرة والمتناقضة لميكانيكا الكم المعروفة باسم أينشتاين-بودولسكي- تأثير روزين. لقد وجدوا طريقة لمسح جزء من معلومات الكائن المنقول آنيًا A ، ونقل بقية الجزء الذي لم يتم التحقق منه من خلال التأثير المذكور إلى كائن C آخر ، والذي لم يكن على اتصال مطلقًا بـ A.
علاوة على ذلك ، من خلال تطبيق تأثير على C يعتمد على المعلومات الممسوحة ضوئيًا ، يمكنك وضع C في الحالة A قبل المسح. لم تعد A نفسها في نفس الحالة ، حيث تم تغييرها بالكامل من خلال عملية المسح ، لذا فإن ما تم تحقيقه هو النقل الآني وليس النسخ المتماثل.
النضال من أجل النطاق
- تم تنفيذ أول انتقال عن بعد كمي في عام 1997 في وقت واحد تقريبًا بواسطة علماء من جامعة إنسبروك وجامعة روما. أثناء التجربة ، تم تغيير الفوتون الأصلي ، ذي الاستقطاب ، وواحد من زوج من الفوتونات المتشابكة ، بحيث تلقى الفوتون الثاني استقطاب الفوتون الأصلي. في هذه الحالة ، كان كلا الفوتونين على مسافة من بعضهما البعض.
- في عام 2012 حدث انتقال آني كمي آخر (الصين ، جامعة العلوم والتكنولوجيا) عبر بحيرة جبلية عالية على مسافة 97 كم. تمكن فريق من العلماء من شنغهاي ، بقيادة Huang Yin ، من تطوير آلية صاروخ موجه جعلت من الممكن توجيه الحزمة بدقة.
- في سبتمبر من نفس العام ، تم تنفيذ انتقال تخاطر كمي قياسي بلغ 143 كم. علماء نمساويون من الأكاديمية النمساوية للعلوم والجامعةفيينا ، بقيادة أنطون زيلينجر ، نجحت في نقل الدول الكمومية بين جزيرتي لا بالما وتينيريفي الكناريتين. استخدمت التجربة خطي اتصال بصري في الفضاء المفتوح ، كمي وكلاسيكي ، استقطاب غير مرتبط بالتردد ، زوج متشابك من فوتونات المصدر ، كاشفات فوتون أحادية منخفضة الضوضاء ومزامنة ساعة مقترنة.
- في عام 2015 ، قام باحثون من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا لأول مرة بنقل المعلومات على مسافة تزيد عن 100 كيلومتر عبر الألياف الضوئية. أصبح هذا ممكنًا بفضل كاشفات الفوتون الفردي التي تم إنشاؤها في المعهد ، باستخدام أسلاك نانوية فائقة التوصيل مصنوعة من مادة السيليسيد الموليبدينوم.
من الواضح أن النظام الكمي المثالي أو التكنولوجيا ليست موجودة بعد والاكتشافات العظيمة للمستقبل لم تأت بعد. ومع ذلك ، يمكن محاولة تحديد المرشحين المحتملين في تطبيقات محددة للنقل الآني. يمكن أن يوفر التهجين المناسب لهذه ، في ظل إطار وطرق متوافقة ، المستقبل الواعد للانتقال الآني الكمي وتطبيقاته.
مسافات قصيرة
يعد النقل الآني عبر مسافات قصيرة (حتى 1 متر) كنظام فرعي للحوسبة الكمية واعدًا لأجهزة أشباه الموصلات ، وأفضلها هو مخطط QED. على وجه الخصوص ، يمكن أن تضمن كيوبتات الإرسال فائقة التوصيل النقل الآني الحتمي وعالي الدقة على الرقاقة. كما أنها تسمح بالتغذية المباشرة في الوقت الحقيقي ، والتيتبدو إشكالية على الرقائق الضوئية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها توفر بنية أكثر قابلية للتوسع وتكاملًا أفضل للتقنيات الحالية مقارنة بالنهج السابقة مثل الأيونات المحاصرة. في الوقت الحاضر ، يبدو أن العيب الوحيد لهذه الأنظمة هو وقت تماسكها المحدود (<100 ميكرو ثانية). يمكن حل هذه المشكلة من خلال دمج دائرة QED مع خلايا ذاكرة مجموعة أشباه الموصلات (مع شواغر استبدال النيتروجين أو بلورات مخدرة نادرة) ، والتي يمكن أن توفر وقت تماسك طويل لتخزين البيانات الكمومية. هذا التنفيذ حاليًا موضع جهد كبير من المجتمع العلمي.
اتصالات المدينة
يمكن تطوير الاتصالات عن بعد على نطاق المدينة (عدة كيلومترات) باستخدام الأوضاع البصرية. مع خسائر منخفضة بما فيه الكفاية ، توفر هذه الأنظمة سرعات عالية وعرض النطاق الترددي. يمكن توسيعها من تطبيقات سطح المكتب إلى الأنظمة متوسطة المدى التي تعمل على الهواء أو الألياف ، مع إمكانية التكامل مع الذاكرة الكمية المجمعة. يمكن تحقيق مسافات أطول ولكن سرعات أقل من خلال نهج هجين أو عن طريق تطوير مكررات جيدة تعتمد على عمليات غير غوسية.
اتصالات بعيدة المدى
النقل الآني الكمي لمسافات طويلة (أكثر من 100 كيلومتر) منطقة نشطة ، لكنها لا تزال تعاني من مشكلة مفتوحة. كيوبت الاستقطاب -أفضل الناقلات للنقل الآني منخفض السرعة عبر روابط ليفية طويلة وعبر الهواء ، لكن البروتوكول احتمالي حاليًا بسبب عدم اكتمال اكتشاف الجرس.
في حين أن النقل الآني والتشابك الاحتمالي مقبولان لمشاكل مثل تقطير التشابك والتشفير الكمومي ، فإن هذا يختلف بشكل واضح عن الاتصال ، حيث يجب الحفاظ على المدخلات بالكامل.
إذا قبلنا هذه الطبيعة الاحتمالية ، فإن تطبيقات الأقمار الصناعية ستكون في متناول التكنولوجيا الحديثة. بالإضافة إلى تكامل طرق التتبع ، فإن المشكلة الرئيسية هي الخسائر الكبيرة الناتجة عن انتشار الحزمة. يمكن التغلب على هذا في تكوين حيث يتم توزيع التشابك من القمر الصناعي إلى التلسكوبات الأرضية ذات الفتحة الكبيرة. بافتراض وجود فتحة ساتلية تبلغ 20 سم على ارتفاع 600 كم وفتحة تلسكوب 1 متر على الأرض ، يمكن توقع خسارة 75 ديسيبل تقريبًا في الوصلة الهابطة ، وهي أقل من خسارة 80 ديسيبل على مستوى الأرض. عمليات التنفيذ من الأرض إلى القمر الصناعي أو من القمر الصناعي إلى القمر الصناعي أكثر تعقيدًا.
ذاكرة الكم
يعتمد الاستخدام المستقبلي للنقل الآني كجزء من شبكة قابلة للتطوير بشكل مباشر على تكاملها مع الذاكرة الكمية. يجب أن يكون للأخير واجهة ممتازة لتحويل مادة الإشعاع من حيث كفاءة التحويل ودقة التسجيل والقراءة ووقت التخزين وعرض النطاق الترددي والسرعة العالية وسعة التخزين. أولاًوهذا بدوره سيسمح باستخدام المرحلات لتوسيع الاتصال إلى ما هو أبعد من الإرسال المباشر باستخدام أكواد تصحيح الخطأ. إن تطوير ذاكرة كمومية جيدة لن يسمح فقط بتوزيع التشابك عبر الشبكة واتصالات النقل الآني ، ولكن أيضًا لمعالجة المعلومات المخزنة بطريقة متماسكة. في النهاية ، يمكن أن يحول هذا الشبكة إلى كمبيوتر كمي موزع عالميًا أو أساسًا لإنترنت كمي في المستقبل.
تطورات واعدة
تعتبر المجموعات الذرية جذابة تقليديا بسبب تحويلها الفعال من الضوء إلى المادة وعمرها الملي ثانية ، والذي يمكن أن يصل إلى 100 مللي ثانية اللازمة لنقل الضوء على نطاق عالمي. ومع ذلك ، من المتوقع حدوث تطورات واعدة اليوم استنادًا إلى أنظمة أشباه الموصلات ، حيث يتم دمج الذاكرة الكمية الممتازة لمجموعة الدوران بشكل مباشر مع بنية دائرة QED القابلة للتطوير. لا يمكن لهذه الذاكرة إطالة وقت التماسك لدائرة QED فحسب ، بل يمكنها أيضًا توفير واجهة ضوئية ميكروويف للتحويل البيني للاتصالات الضوئية وفوتونات الميكروويف الرقيقة.
وبالتالي ، من المرجح أن تستند الاكتشافات المستقبلية للعلماء في مجال الإنترنت الكمي إلى اتصالات بصرية طويلة المدى مقترنة بعقد أشباه الموصلات لمعالجة المعلومات الكمية.
