ما هي الذاكرة الكمومية

قال العالم ليانغ في تطوير تقنيات كمومية، أنه من الضروري أن تكون هناك طريقة موثوقة لقياس المكونات ذات الصلة تعمل كما هو متوقع، حيث توفر النتائج التي توصل إليها العلماء طريقة للتصديق على إحدى أهم ميزات هذه المكونات مع التأكد من أنه لا يتم تقديم افتراضات أكثر من اللازم مع هذه الاختبارات، بحيث تبسط إجراءات مراقبة الجودة للأجهزة الكمومية مع عدم الوقوع في فخ وضع افتراضات غير مبررة.

ما هي الذاكرة الكمومية

تعد الذاكرة الكمومية هي مكونات لا غنى عنها لشبكات الاتصالات الكمومية بعيدة المدى، وربما حتى في جهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق، ولكي تخدم هذه المكونات غرضها، من الضروري أن تتمكن على الأقل من الحفاظ على التشابك الكمي بين مدخلات معينة في الذاكرة وأي أجزاء أخرى لم تدخل الذاكرة، بحيث يحقق هذا العمل التوازن الصحيح في التصديق على أي جهاز يمتلك هذه القدرة مع وضع الحد الأدنى لهذه الافتراضات.

كيف يتم التأكد من كمية الذاكرة الكمومية

ان الذاكرة الكمومية هي أجهزة يمكنها تخزين المعلومات الكمومية لوقت لاحق، والتي يتم تنفيذها عادةً عن طريق تخزين وإعادة إرسال الفوتونات بحالات كمومية معينة، لكن غالبًا ما يكون من الصعب معرفة ما إذا كانت الذاكرة تخزن معلومات كمومية أم مجرد معلومات كلاسيكية، وفي ورقة جديدة طور علماء الفيزياء اختبارًا جديدًا للتحقق من الطبيعة الكمومية للذكريات الكمومية.

نشر الباحثون ورقة بحثية عن اختبار الذاكرة الكمومية، كما أوضح العلماء أنه يجب الحفاظ على التشابك الكمي بين النظام المخزن في الذاكرة وأي أنظمة بعيدة غير موجودة في الذاكرة طوال فترة التخزين، بحيث أنه إذا تم كسر هذا التشابك في أي وقت، فإن الجهاز لم يعد يعمل كذاكرة كمومية بل كقناة لكسر التشابك ونتيجة لذلك يمكن نقل المعلومات الكلاسيكية فقط.

وعلى الرغم من وجود اختبارات حاليًا يمكنها التحقق من الطبيعة الكمية للذاكرة الكمية، إلا أن هذه الاختبارات لها قيود معينة، بحيث يطلبون من المجرب أن يثق في أن أجهزة إعداد القياس والحالة التي تستخدمها الذاكرة الكمية دقيقة، ولهذا السبب تسمى هذه الاختبارات البروتوكولات المعتمدة على الجهاز.

علاقة الذاكرة الكمومية بالتشابك الكمي

على الرغم من أنه سيكون من المثالي تصميم اختبار مستقل تمامًا عن الأجهزة، إلا أن الباحثين أوضحوا أنه لا يمكن اختبار ذاكرة واحدة بهذه الطريقة، حتى من حيث المبدأ، بسبب الحاجة إلى اختبار الذاكرة الكمومية في وقتين مختلفين، مع ذلك فإن اختبار العلماء الجديد لا يعتمد على جهاز القياس، مما يعني أنه لا يزال يتطلب الوثوق بجهاز إعداد الحالة.

لكن لا يلزم وضع افتراضات فيما يتعلق بجهاز القياس، اذ أن الاختبار الجديد صادق أيضًا، مما يعني أنه يمكنه التعرف بشكل صحيح على جميع الذاكرات الكمومية التي تعمل كقنوات كمية غير قابلة لكسر التشابك، ويستخدم الاختبار الجديد إطارًا نصف مكانيًا مشابهًا جدًا لتلك المستخدمة في بعض اختبارات التشابك في الحالات الكمية، حيث يشير التشابك إلى الارتباطات في الفضاء، على عكس التشابك الشبيه بالوقت في الذكريات الكمومية.

وغالبًا ما تستخدم البروتوكولات التقليدية لاختبار الارتباطات الشبيهة بالفضاء حرفين وهما أليس كمرسل وبوب كمستقبل للحالات الكمية، لكن نظرًا لأن الذكريات الكمومية تنطوي على ارتباطات شبيهة بالوقت، فإن البروتوكول يحتاج فقط إلى شخصية واحدة، والتي يسميها الباحثون آبي، لتعمل كمرسل ومستقبل في أوقات مختلفة.

مكونات الذاكرة الكمومية

الذاكرة الكمومية هي أجهزة يمكنها تخزين الحالة الكمومية للفوتون، دون تدمير المعلومات الكمومية المتطايرة التي يحملها الفوتون؛ بحيث يجب أن تكون الذاكرة الكمومية قادرة على إطلاق فوتون بنفس الحالة الكمومية للفوتون المخزن، بعد مدة يحددها المستخدم.

تطلب الذكريات الكمية أنظمة مادة متماسكة، وإلا ستفقد المعلومات الكمية المخزنة داخل الوسط بسبب فك الترابط، ويعتقد أيضًا أن أي جهاز عملي يجب أن يعتمد على مواد صلبة، هذا أن البلورات المخدرة ذات الأيونات النادرة (RE) هي أنظمة مادة متداخلة للغاية للذاكرة الكمومية، نظرًا لخصائصها البصرية الفريدة وتماسك الدوران عند درجات حرارة منخفضة (حوالي 4 كلفن).

لتبريد بلورات الطاقة المتجددة، يستخدم مبردات ذات دورة مغلقة لا تتطلب أي سوائل تبريد، وتكون الذاكرة الكمومية عبارة عن مكونات أساسية في شبكات الكم المستقبلية، مثل أجهزة إعادة الإرسال الكمومية التي يمكن أن توفر حلاً للاتصالات الكمومية بعيدة المدى التي تتجاوز حدود 500 كيلومتر باستخدام تقنية اليوم.

ولتخزين الفوتونات في بلورات (RE-doped)، تستخدم تقنية مشط التردد الذري؛ ويمكن لتقنية AFC تخزين المعلومات الكمومية بأسلوب متعدد الإرسال للغاية وهو المفتاح لبناء مكررات الكم لشبكات الكم المستقبلية، بالإضافة إلى التطبيقات المستقبلية، بحيث تعتبر الذكريات الكمومية رائعة لأنها توفر طريقة لدراسة كيفية انتقال التأثيرات الكمية.

فوائد الذاكرة الكمومية

مثلما لا يمكن تصور أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بدون ذاكرة، فإن الذاكرة الكمومية ستكون عناصر أساسية لمعالجات المعلومات الكمومية في المستقبل، حيث يتم دراسة الذكريات الكمومية للضوء بشكل نشط بشكل خاص في سياق الاتصالات الكمومية لتنفيذ مكررات الكم.

وتتم دراسة العديد من الأنظمة المختلفة بما في ذلك الذرات والأيونات الفردية والأبخرة الذرية الباردة والساخنة وأنواع مختلفة من العيوب في المواد الصلبة والنقاط الكمومية.

شهد مجال الذكريات الكمومية مؤخرًا الكثير من التقدم مع تجارب تاريخية مثل تخزين الفوتونات المتشابكة وإظهار الذكريات بكفاءة تخزين تقترب من الوحدة؛ واستند العديد من هذه التجارب إلى البروتوكولات التي تم اقتراحها مؤخرًا فقط، بحيث تهدف قضية التركيز هذه إلى التقاط الوضع الحالي لهذا المجال المثير.

تطبيقات الذاكرة الكمومية

1- البروتوكولات

تاريخياً، تطورت الذكريات الكمومية على مسارين مختلفين؛ حيث أن الذكريات التي يتم التحكم فيها بصريًا، والامتصاص الهندسي، ففي الذاكرة التي يتم التحكم فيها بصريًا، يتم استخدام نبضات تحكم مكثفة للتوسط في الامتصاص والاسترجاع.

الذاكرة القائمة على الامتصاص الهندسي تعتمد على توسيع غير متجانس كبير لخط الامتصاص البصري؛ يمكن تنظيم هذا الامتصاص، إما بشكل ثابت أو ديناميكي، لإنتاج خصائص الامتصاص وإعادة الانبعاث المرغوبة.

وفي الآونة الأخيرة، تم تطوير مخططات الذاكرة الكمومية الهجينة التي تجمع بين الامتصاص الهندسي والتحكم البصري لاستخراج الميزات المفيدة لكلا النهجين.

2- الاتصالات الكمومية

وهي تقنية تستخدم الخصائص الكمومية لناقلات المعلومات، مثل فوتونات مفردة، لتحقيق تبادل المعلومات الكمومية بين الأطراف، إذ أن التكنولوجيا فريدة من نوعها وكثيرة التطبيقات المستحيلة في أنظمة الاتصالات الكلاسيكية.

وحاليًا، هناك نوعان من التطبيقات الرئيسية لـلذاكرة الكمية وهي توزيع المفتاح الكمي (QKD) وتوزيع التشابك الكمي، حيث يوفر QKD مفاتيح تشفير آمنة عبر قنوات اتصال غير آمنة.

3- أجهزة الكمبيوتر الكمية

إن أجهزة الكمبيوتر الكمي آلات تخزن وتعالج المعلومات الموجودة في “البتات الكمومية” أو الكيوبتات؛ وهذه هي الأنظمة التي يمكن أن تكون في حالتين محتملتين في نفس الوقت، بحيث يمكن أن يؤدي التحكم في مصفوفات هذه الكيوبتات إلى إجراء عمليات حسابية أسرع مقارنة بأجهزة الكمبيوتر العادية.

الذاكرة الكمومية عالية الأداء لحالات الضوء الكمومية؛ وهي لبنة أساسية لتكنولوجيا المعلومات الكمومية، وعلى الرغم من التقدم الكبير في الذكريات الكمومية الضوئية القائمة على تفاعلات الضوء والذرات، فإن السمات الفيزيائية لهذه الذكريات لا تزال غير قادرة على تلبية متطلبات التطبيقات في أنظمة المعلومات الكمومية العملية.

وهناك أنواع للذاكرة الكمومية بحيث تتكون من نوعان وهما: الذاكرة الكمومية الضوئية والذاكرة الكمومية الصلبة.