يعتبر التشابك والارتباط الكمي موارد ثمينة لتنفيذ تقنيات الكم على أساس علم المعلومات الكمومية، مثل، الاتصالات الكمومية والحوسبة الكمومية وقياس التداخل الكمي، ومع ذلك لا يزال هناك نقص في المقياس القابل للحساب المباشر لتشابك الدول المختلطة متعددة الأجزاء.
مبدأ التقابل الكمي
يعتبر التشابك أو الارتباط الكمي أحد المفاهيم المركزية في نظرية المعلومات الكمومية، أي أنه يعالج السؤال أنه “هل هذه الحالة متشابكة أو لا وما مدى تشابك هذه الحالة، وتعطي إجاباتها في شكل مقاييس التشابك التي تخصص رقمًا لكل حالة.
تظهر الاستفسارات الكمية بشكل طبيعي عندما يتم استخدام التشابك كمورد لمهام معالجة المعلومات الكمية، على سبيل المثال، الحالات المتشابكة هي بطريقة ما الوقود لعمليات النقل الآلي والتشفير الكثيف، وفي كل خطوة إرسال يلزم وجود نظام أزواج متشابك إلى أقصى حد، ولا يمكن استخدامه لإرسال آخر.
يقع التشابك في قلب فيزياء الكم وتقنيات الكم المستقبلية مثل الجوانب الأخرى لعلم الكم، تكشف ظاهرة التشابك عن نفسها في مقاييس دون ذرية بالغة الصغر، فعندما يتشابك جسيمان، مثل زوج من الفوتونات أو الإلكترونات، يظلان متصلين حتى عند فصلهما بمسافات شاسعة؛ ينشأ التشابك من العلاقة بين الجسيمات، وهذا ما يسميه العلماء خاصية ناشئة.
الدور الكمي المتعلق بالمهمة هو تطور جديد في دراسة أسس ميكانيكا الكم، وتم استيراده من نظرية المعلومات الكلاسيكية، حيث كانت طريقة التفكير هذه هي المعيار لفترة طويلة، حيث أن هذا المزيج يصنع النكهة الخاصة لنظرية المعلومات الكمومية؛ النقل الآني له صلات وثيقة بين نظرية التشابك الكمي ونظرية السعة، وهو معدل نقل المعلومات الكمية عبر قناة معينة.
خصائص مبدأ الترابط الكمي
هناك خاصيتين للإنتروبيا النسبية للتماسك، إحداهما هي أن الإنتروبيا النسبية للتماسك لا تتجاوز وظيفة المعلومات لحالة كمية معينة، والأخرى هي الإضافة الفائقة، بناءً على ذلك هناك علاقة شبيهة بعدم اليقين بين التماسك والإنتروبيا للنظام الكمومي، أي كلما زاد التماسك، قل الإنتروبيا.
وهناك علاقة أخرى شبيهة بعدم اليقين بين التشابك وتماسك النظام الفرعي، أي أن النظام متشابك بالفعل كما يمكن أن يكون مع العالم الخارجي، ومن ثم فإن التماسك نفسه سيدفع ثمن سلوكهم المتشابك.
وبالنسبة لأي نظام كمي ثنائي من خلال إجراء عملية إزالة الطور تمامًا على النظام الفرعي، سوف يتم الحصول على ثلاث مقايضات بين الإنتروبيا النسبية للتماسك، الارتباطات الكمومية الشبيهة بالخلاف الكمي وحيدة الاتجاه مثل عجز الكم.
أعطت نتائجنا تحليلًا كميًا واضحًا وارتباطات تشغيلية بين التماسك الكمي والارتباطات الكمية في النظام الكمي الثنائي، ولفهم العلاقة بين عجز الكم ثنائي الاتجاه والإنتروبيا النسبية للتماسك، يجب فهم جميع المفاهيم الأربعة، كالديناميكا الحرارية والتشابك والارتباطات الكمية والتماسك في إطار موحد، حيث يؤدي هذا التقدم إلى زيادة تطوير علم المعلومات الكمومية.
تفسير مبدأ الترابط الكمي
عندما درس العلماء الترابط الكمي غالبًا ما يستخدمون نوعًا خاصًا من البلورات لتوليد جسيمين متشابكين من أحدهما، ثم يتم إرسال الجسيمات المتشابكة إلى مواقع مختلفة، على سبيل المثال قياس اتجاه دوران الجسيمات، والذي يمكن أن يكون إما لأعلى أو لأسفل على طول محور معين، فقبل أن يتم قياس الجسيمات سيكون كل منها في حالة تراكب، أو كلاهما يدور لأعلى و يدور لأسفل في نفس الوقت.
إذا قام الباحث بقياس اتجاه دوران أحد الجسيمات ثم كرر القياس على شريكه البعيد والمتشابك، فسيجد هذا الباحث دائمًا أن الزوجين مرتبطان، وإذا كان أحد الجسيمات يدور لأعلى، فسيكون الآخر لأسفل (قد تدور الدورات بدلاً من ذلك) كلاهما أعلى أو كلاهما معطل، وذلك اعتمادًا على كيفية تصميم التجربة، لكن سيكون هناك دائمًا ارتباط، إن الجميل في مبدأ الترابط أنه مجرد معرفة حالة جسيم واحد يخبرك تلقائيًا بشيء عن رفيقه، حتى عندما يكونان بعيدًا عن بعضه.
نظرية الترابط الكمي ونظرية النسبية
إن المفاهيم الخاطئة الشائعة حول التشابك هو أن الجسيمات تتواصل مع بعضها البعض أسرع من سرعة الضوء، وهو ما يتعارض مع نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، حيث أظهرت التجارب أن هذا ليس صحيحًا، ولا يمكن استخدام فيزياء الكم لإرسال اتصالات أسرع من الضوء.
وعلى الرغم من أن العلماء لا يزالون يناقشون كيفية ظهور ظاهرة التشابك التي تبدو غريبة، إلا أنهم يعرفون أنها مبدأ حقيقي يمر باختبار بعد اختبار، في الواقع، بينما وصف أينشتاين التشابك بأنه عمل مخيف عن بعد يقول علماء الكم اليوم أنه لا يوجد شيء مخيف فيه.
ويقول توماس فيديك قد يكون من الجيد الاعتقاد بأن الجسيمات تتواصل بطريقة ما مع بعضها البعض عبر هذه المسافات الشاسعة، لكن هذا ليس هو الحال، حيث يمكن أن يكون هناك ارتباط بدون اتصال وأن الجسيمات يمكن اعتبارها كائنًا واحدً.
الجسيمات ومبدأ الترابط
قام العلماء بمراقبة الجسيمات المتشابكة من زوايا مختلفة، حيث قام الباحث بقياس الجسيم الأول أثناء الدوران، ولكن بعد ذلك يستخدم زاوية عرض مختلفة (أو اتجاه محور دوران مختلف) لقياس الجسيم الثاني، فبدلاً من تطابق الجسيمين كما كان من قبل، كان الجسيم الثاني قد عاد إلى حالة التراكب، وبمجرد ملاحظته يمكن أن يدور إما لأعلى أو لأسفل.
أدى اختيار زاوية الرؤية إلى تغيير نتيجة التجربة، مما يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك أي معلومات خفية مدفونة داخل جسيم تحدد دورانه قبل أن يتم ملاحظتهن، فالتشابك لا يتجسد من أي جسيم واحد بل من الروابط بينهم.
تطبيقات على الترابط الكمي
نظرية المعلومات الكمية مبنية على إدراك أن الموارد الكمية مثل التماسك والتشابك، حيث يمكن استغلالها من أجل طرق جديدة أو محسّنة لنقل المعلومات ومعالجتها، مثل التشفير الكمي والنقل الآني والحوسبة الكمومية، ويستخدم أيضا في مناهج مختلفة لتحديد وتقدير الارتباطات الكمية العامة، بناءً على وجهات نظر مادية مختلفة ومترابطة.
ولا يمكن نسيان أهميته التشغيلية للتدابير اللاحقة لمهام تكنولوجيا الكم مثل ترميز المعلومات والتوزيع والتمييز والقياس، والتطبيقات التي يبدو فيها الكم بعد التشابك مناسبًا للعب دور رئيسي أحد أهم مظاهر الكم في الأنظمة التعاونية، من المجال دون الذري إلى المجال العياني، ويساعد في فهم وتوصيف صحيح للحدود بين الارتباطات الكلاسيكية والكمية في الحالات المركبة.
ويلخص مفهوم الترابط الكمي بأنه ظاهرة ميكانيكية كمومية يجب فيها وصف الحالات الكمومية لكائنين أو أكثر، وذلك بالرجوع إلى بعضها البعض، على الرغم من أن الكائنات الفردية يمكن فصلها مكانيًا.
