الإرسال المزدوج في فيزياء الكم

يعمل الاتصال الكمي في فيزياء الكم، وذلك لنقل البيانات بشكل آمن، حيث تعمل هذه القوانين للجسيمات مثل فوتونات الضوء بنقل البيانات بواسطة الكابلات الضوئية، وذلك بأخذ حالة من التراكب؛ مما يعني أنها يمكن أن تمثل مجموعات متعددة من 1 و 0 في وقت واحد.

مفهوم الإرسال المزدوج

في تقنيات المعلومات الكمومية الجديدة يجب نقل الحالات الكمومية الهشة بين بتات كمومية بعيدة، فلقد أدرك الباحثون في (ETH) الآن مثل هذا النقل الكمي بين اثنين من وحدات البت الصلبة بضغطة زر، ولأن نقل البيانات هو العمود الفقري لمجتمع المعلومات الحديث على النطاقين الكبير والصغير وعلى الإنترنت فإنه يتم تبادل البيانات بين أجهزة الكمبيوتر في جميع أنحاء العالم، وغالبًا ما يتم ذلك باستخدام كابلات الألياف الضوئية.

ومن ناحية أخرى داخل الكمبيوتر يجب نقل المعلومات ذهابًا وإيابًا بين المعالجات المختلفة، حيث يعد التبادل الموثوق للبيانات أيضًا ذا أهمية كبيرة لتقنيات علم المعلومات الكمومي الجديد الذي يتم تطويره حاليًا، ولكن في نفس الوقت يكون الأمر أيضًا صعبًا للغاية، وفي (ETH) في مختبر زيورخ نجح فريق من الفيزيائيين بقيادة أندرياس والراف من مختبر فيزياء الحالة الصلبة الآن في نقل المعلومات الكمومية بضغطة زر وبدقة عالية بين بتين كميين تفصل بينهما مسافة متر تقريبًا.

بتات الكم الطائر في الإرسال المزدوج الكمي

الميزة الرئيسية لتقنيات المعلومات الكمومية، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتشفير الكمومي هي استخدام وحدات البت الكمومية أو الكيوبتات كوحدة أولية للمعلومات، وبشكل مختلف عن البتات التقليدية لا يمكن أن يكون للكيوبت القيمة 0 أو 1 فحسب، بل تأخذ أيضًا ما يسمى بحالات التراكب، ومن ناحية ينتج عن هذا إمكانية بناء أجهزة كمبيوتر قوية للغاية تستفيد من حالات التراكب هذه لإجراء العمليات الحسابية بشكل أكثر كفاءة وأسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

من ناحية أخرى، فإن هذه الحالات حساسة للغاية ولا يمكن نقلها ببساطة باستخدام التقنيات التقليدية، حيث تكمن المشكلة في أنه يجب أولاً تحويل حالة الكيوبت الثابت إلى ما يسمى كيوبت طائر، على سبيل المثال فوتون ثم العودة إلى كيوبت ثابت آخر.

وللقيام بذلك قام الفيزيائيون بربط اثنين من الكيوبتات ذات التوصيل العالي عن طريق كابل متحد المحور من النوع الذي يستخدم أيضًا للاتصال بأطراف الهوائي، حيث تم نقل الحالة الكمومية للكيوبت الأول، والتي يتم تحديدها من خلال عدد أزواج الإلكترونات فائقة التوصيل المعروفة أيضًا باسم أزواج كوبر الموجودة فيه، ولأول مرة إلى فوتون ميكروويف من مرنان باستخدام نبضات ميكروويف يتم التحكم فيها بدقة شديدة.

ومن هذا الرنان يمكن للفوتون أن يطير عبر الكبل متحد المحور إلى مرنان ثان داخله نبضات الميكروويف، ومرة أخرى تنقل حالته الكمومية إلى كيوبت الثاني، حيث تم إجراء تجارب مماثلة مؤخرًا.

الإرسال المزدوج الكمي حتمي وليس احتمالي

إن النقطة المهمة في طريقتنا هي أن نقل الحالة الكمومية أمر حتمي؛ مما يعني أنه يعمل بضغطة زر، كما يؤكد  العالم فيليب، أنه في بعض التجارب كان من الممكن بالفعل تحقيق نقل الحالات الكمومية، لكن هذا الإرسال كان احتماليًا، ففي بعض الأحيان كان يعمل، لكنه لم ينجح في معظم الأوقات، على سبيل المثال أن تتم الإشارة إلى إرسال ناجح عن طريق فوتون إعلاني.

عندما لا يعمل الإرسال، يحاول المرء ببساطة مرة أخرى، وبهذه الطريقة انخفض معدل الإرسال الكمي الفعال بشدة، وبالنسبة للتطبيقات العملية من الواضح أن الطرق الحتمية مثل تلك الموضحة الآن في (ETH) مفيدة.

يقول أحد العلماء عد معدل الإرسال الخاص بنا للحالات الكمية من بين أعلى المعدلات التي تم تحقيقها على الإطلاق وبنسبة 80٪، فإن دقة الإرسال جيدة جدًا في أول تحقيق للبروتوكول، وباستخدام هذه التقنية تمكن الباحثون أيضًا من إنشاء تشابك ميكانيكي كمي بين الكيوبتات بما يصل إلى 50000 مرة في الثانية.

حيث استغرق إجراء الإرسال نفسه أقل من جزء من المليون من الثانية؛ مما يعني أن هناك مجالًا كبيرًا لتحسين معدل الإرسال، حيث ينشئ التشابك الميكانيكي الكمومي رابطًا وثيقًا بين جسمين كميين حتى عبر مسافات كبيرة، وهي ميزة تُستخدم للتشفير أو النقل الآني الكمي.

نقل الكم المزدوج لأجهزة الكمبيوتر الكمومية

كخطوة تالية، يريد الباحثون محاولة استخدام اثنين كيوبت لكل منهما كجهاز إرسال ومستقبل؛ مما يجعل تبديل التشابك بين أزواج الكيوبت ممكنًا، حيث إن هذه العملية مفيدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكبر حجمًا، والتي من المفترض أن يتم بناؤها في السنوات القليلة المقبلة.

حتى الآن، لا يتألفون إلا من عدد قليل من الكيوبتات، ولكن عند محاولة بناء أجهزة كمبيوتر أكبر، وبالفعل بالنسبة لبضع مئات من الكيوبتات يجب على المرء أن يقلق بشأن كيفية توصيلها بشكل أكثر فاعلية من أجل استغلال مزايا الكمبيوتر الكمومي في أفضل طريقة ممكنة. تمامًا مثل مجموعات أجهزة الكمبيوتر الفردية المستخدمة اليوم، حيث يمكن بعد ذلك توصيل وحدات الكمبيوتر الكمومية معًا باستخدام تقنية والراف، حيث يمكن بالتأكيد زيادة مسافة الإرسال التي تبلغ حاليًا حوالي متر.

بروتوكول الإرسال الكمي الجديد 

يعد التشفير الكمي أحد أكثر التقنيات الكمومية الواعدة في هذا العصر، حيث يتم إنشاء نفس المعلومات بالضبط في موقعين مختلفين، وتضمن قوانين فيزياء الكم عدم تمكن أي طرف ثالث من اعتراض هذه المعلومات، حيث يؤدي هذا إلى إنشاء رمز يمكن من خلاله تشفير المعلومات بشكل مثالي.

قام فريق البروفيسور ماركوس هوبر من المعهد الذري في (TU Wien) بعمل نوعًا جديدًا من نظام التشفير الكمي، والذي تم تجربته في الممارسة بالتعاون مع مجموعات البحث الصينية، بينما حتى الآن هناك فوتون واحد مستخدم بشكل طبيعي يمكن أن يكون في اثنين في حالات مختلفة، لكن الوضع الآن معقدا، حيث يمكن أن يسلك كل من الفوتونات ثمانية مسارات مختلفة.

كيف يتم نقل المعلومات عن طريق الفوتونات في الارسال المزدوج

هناك العديد من الطرق المختلفة لاستخدام الفوتونات في نقل المعلومات، وغالبًا ما تركز التجارب على استقطاب فوتوناتها، على سبيل المثال ما إذا كانت تتأرجح أفقيًا أو رأسيًا أو ما إذا كانت في حالة تراكب ميكانيكي الكم، حيث تفترض بمعنى ما كلتا الحالتين في وقت واحد، وعلى غرار كيف يمكن وصف نقطة على مستوى ثنائي الأبعاد بإحداثيين، حيث يمكن تمثيل حالة الفوتون كنقطة في فضاء ثنائي الأبعاد.

لكن يمكن للفوتون أيضًا أن يحمل المعلومات بشكل مستقل عن اتجاه الاستقطاب، إذ يمكن للمرء على سبيل المثال استخدام المعلومات حول المسار الذي يسير فيه الفوتون حاليًا، وهذا هو بالضبط ما تم استغلاله الآن، إذ يولد شعاع الليزر أزواجًا من الفوتونات في نوع خاص من البلورة، وهناك ثماني نقاط مختلفة في البلورة يمكن أن يحدث فيها هذا.

اعتمادًا على النقطة التي تم فيها إنشاء زوج الفوتون يمكن لكل من الفوتونين التحرك على طول ثمانية مسارات مختلفة، أو على طول عدة مسارات في نفس الوقت وهو أمر مسموح به أيضًا وفقًا لقوانين نظرية الكم.

يمكن توجيه هذين الفوتونين إلى أماكن مختلفة تمامًا وتحليلها هناك، حيث يتم قياس أحد الاحتمالات الثمانية بشكل عشوائي تمامًا، ولكن نظرًا لأن الفوتونين متشابكان كموميًا فيزيائيًا يتم الحصول على نفس النتيجة دائمًا في كلا المكانين، وكل من يقف عند أول جهاز قياس يعرف ما يكتشفه شخص آخر حاليًا في جهاز القياس الثاني، ولا يمكن لأي شخص آخر في الكون الحصول على هذه المعلومات.