تعد إمكانية النقل الآني واحدة من أكثر القضايا الخارقة وشبه العلمية إثارة للجدل. علاوة على ذلك، فهو يعتمد على أفكار صوفية رائعة وعلى بعض الإنجازات العلمية. ومع ذلك، ذكرت تقارير مختلفة أن النقل الآني ما هو على وشك تحقيقه عمليًا، ما هو إلا استخدام غير عادل للمعلومات حول النقل الآني الكمي. يعد النقل الآني الكمي ظاهرة فيزيائية حقيقية، ولكنه يرتبط بشكل غير مباشر فقط بالانتقال الآني من خلال نظريات الصوفيين وأعمال الخيال العلمي.

لا يمكن الاستغناء عن أينشتاين

تتضمن ممارسة النقل الآني نقل المادة من نقطة في الفضاء إلى أخرى دون مسار مستمر للحركة. وهذا يعني أنه من المستحيل تتبع التسلسل غير المنقطع لمادة ما عند نقطة معينة في كل لحظة لاحقة من الزمن. وهكذا تختفي المادة لبعض الوقت، ثم تظهر في مكان مختلف تمامًا. لا يحدث شيء مماثل في حالة النقل الآني الكمي بالطبع. ويرتبط بالخصائص الخاصة للكميات، وقد تمت صياغته لأول مرة على المستوى النظري في الثلاثينيات من قبل ألبرت أينشتاين الشهير.

واقترح أنه يمكن أن تكون هناك قناة اتصال بين جسيمين تسمى الكمات المتشابكة، والتي يمكن من خلالها نقل الخصائص من جسيم أولي إلى آخر. فيزيائيا، الجسيمات الأولية لا تتلامس مع بعضها البعض، أي أنها لا تتلامس. يتم إرسال خاصية جسيم واحد عبر الكم، وعند نقطة المغادرة يتم تدمير هذه الخاصية وتختفي، ويحرم الجسيم المرسل من هذه الخاصية. وفي المقابل، تظهر هذه الخاصية على جسيم آخر، ويتم "نقلها" عبر الكمات المتشابكة. لا الطاقة ولا المادة نفسها "تقفز" بين الجسيمات، وسرعة نقل الخصائص لا تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. وبالتالي، لا يتم انتهاك أي قوانين فيزيائية ولا يمكننا الحديث عن النقل الآني الحقيقي. ومن المميزات أن أينشتاين لم يؤمن بالجدوى العملية حتى لهذا النموذج النظري الخاص به، معتبرًا أن النقل الآني الكمي هو نتيجة لعدم اتساق نظرية الكم نفسها.

التنفيذ على أرض الواقع

النقل الآني الكمي، المعروف أيضًا باسم تأثير EPR (سمي على اسم المؤلفين المشاركين للعمل النظري حول هذا الموضوع - أينشتاين، بودولسكي، روزين)، كان يعتبر تخمينيًا بحتًا لما يقرب من نصف قرن. ولكن في عام 1980، تم تأكيد وجود هذا التأثير تجريبيا. تم تنفيذ ما يسمى بالنقل الآني للفوتونات، أي نقل الخصائص من فوتون إلى آخر. وفي البداية لم يتمكن العلماء من إيجاد تفسير لهذه الظاهرة التي تتعارض مع قوانين الفيزياء. ومع ذلك، فقد تذكروا بعد ذلك مبدأ النقل الآني الكمي الذي صاغه أينشتاين وزملاؤه - وسقط كل شيء في مكانه.

علاوة على ذلك، كانت خصوصية النقل الكمي الآني هي إمكانية نقل الخصائص بين الجسيمات الأولية عبر مسافات كبيرة. ولكن في الوقت نفسه ظهرت صعوبات مختلفة. وهكذا، أصبح من الواضح بسرعة أن النقل الآني الكمي له قيود مميزة لأي قناة اتصال - لا يمكن أن تتجاوز سرعة نقل المعلومات السرعة القصوى المتاحة لهذه القناة بالذات. وفي أحسن الأحوال، سوف تقترب من سرعة الضوء في الفراغ. بالإضافة إلى ذلك، لم يكن هناك أي شيء مشترك بين النقل الآني الكمي والانتقال الآني "الكلاسيكي"، المألوف في روايات الخيال العلمي. مثل هذا النقل للطاقة والمادة من نقطة إلى أخرى لا يزال غير ممكن. لذلك، سيتعين على المتحمسين الذين يتوقون إلى تحقيق النقل الآني البشري الانتظار. ربما يتعين علينا الانتظار إلى أجل غير مسمى: حتى لو تم اكتشاف طريقة لنقل المادة عن بعد، فمن الصعب تخيل إمكانية نقل الكائنات الذكية عن بعد وإعادة إنشاء آلية كاملة للوعي في مكان جديد.

التجارب تقود العلم

حظي النقل الآني الكمي بتغطية صحفية واسعة النطاق فيما يتعلق بأحدث الإنجازات التي حققها العلماء اليابانيون في هذا الاتجاه. خلال التجارب المختلفة حققوا نتائج مبهرة. في الحالة الأولى، تبين أن التجربة مثيرة للإعجاب للغاية: فقد تمكن الباحثون من "نقل" كمية من الضوء. في جوهرها، هذا هو النقل الآني للفوتون - تم "تحلل" الضوء إلى جزيئات فوتون فردية وباستخدام قناة اتصال الكميات المتشابكة، تم نقلها إلى نقطة أخرى في الفضاء، حيث تم جمعها مرة أخرى في شعاع ضوئي. في الحالة الثانية، لم يتم تحقيق النقل الكمي الأول بين اثنين، ولكن بين ثلاثة فوتونات. من وجهة نظر التقنيات العلمية العملية، يعد هذا إنجازًا حقيقيًا يفتح آفاقًا حقيقية لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية. وستكون أجهزة الكمبيوتر هذه أكثر إنتاجية من حيث سرعة معالجة البيانات، وكذلك من حيث حجمها الإجمالي.

لكن التجارب اليابانية في مجال النقل الكمي الآني ليست الوحيدة بأي حال من الأحوال، فقد استمر العمل في هذا الاتجاه لعدة عقود، ولكنه نشط بشكل خاص في السنوات الأخيرة. وهكذا، في عام 2004، تم إجراء تجارب ناجحة في النقل الآني الكمي ليس بين الفوتونات، ولكن بين الذرات - في الحالة الأولى، تبادلت أيونات ذرة الكالسيوم الخصائص، في الثانية - أيونات ذرة البريليوم. في عام 2006، تم إجراء النقل الآني الكمي بين جسمين مختلفين في الطبيعة، بين ذرات السيزيوم من جهة، وكمات إشعاع الليزر من جهة أخرى. من عام 2010 إلى عام 2012، سجل العلماء باستمرار أرقامًا قياسية مثيرة للإعجاب في مجال النقل الآني الكمي: أولاً في الصين، تم نقل الخصائص بين الفوتونات لمسافة تزيد عن 16 كيلومترًا، ثم في المملكة الوسطى تم زيادة الإنجاز إلى 97 كيلومترًا، ثم في النمسا، حقق الباحثون النقل الآني بمقدار 16 كيلومترًا. 143 كيلومترا.

الكسندر بابيتسكي

أجرى مجموعة من العلماء من الأكاديمية الصينية للعلوم تجربة عبر الأقمار الصناعية حول نقل الحالات الكمومية بين أزواج من الفوتونات المتشابكة (ما يسمى بالانتقال الآني الكمي) على مسافة قياسية تزيد عن 1200 كيلومتر.

تحدث الظاهرة (أو التشابك) عندما تكون حالات جسيمين أو أكثر مترابطة (مترابطة)، ويمكن فصلها إلى مسافات كبيرة بشكل تعسفي، ولكن في نفس الوقت يستمرون في "الشعور" ببعضهم البعض. إن قياس معامل جسيم واحد يؤدي إلى تدمير لحظي لحالة تشابك جسيم آخر، وهو أمر يصعب تخيله دون فهم مبادئ ميكانيكا الكم، خاصة وأن الجسيمات (كانت هذه أظهرت خصيصافي التجارب على انتهاك ما يسمى بمتباينات بيل) لا تحتوي على أي معلمات مخفية يتم من خلالها تخزين المعلومات حول حالة "الرفيق"، وفي الوقت نفسه، لا يؤدي التغيير اللحظي في الحالة إلى انتهاك لمبدأ السببية ولا يسمح بنقل المعلومات المفيدة بهذه الطريقة.

لنقل معلومات حقيقية، من الضروري أيضًا إشراك الجزيئات التي تتحرك بسرعة لا تتجاوز سرعة الضوء. يمكن أن تكون الجسيمات المتشابكة، على سبيل المثال، فوتونات لها سلف مشترك، والمعلمة التابعة هي، على سبيل المثال، دورانها.

ليس فقط العلماء المشاركين في الفيزياء الأساسية، ولكن أيضًا المهندسين الذين يصممون اتصالات آمنة يُظهرون اهتمامًا بنقل حالات الجسيمات المتشابكة عبر مسافات طويلة بشكل متزايد وفي ظل الظروف الأكثر تطرفًا. ويُعتقد أن ظاهرة تشابك الجسيمات ستوفر لنا، من حيث المبدأ، قنوات اتصال غير قابلة للاختراق في المستقبل. ستكون "الحماية" في هذه الحالة هي الإخطار الحتمي للمشاركين في المحادثة بأن طرفًا ثالثًا قد تدخل في اتصالاتهم.

والدليل على ذلك هو قوانين الفيزياء التي لا تنتهك - الانهيار الذي لا رجعة فيه للدالة الموجية.

لقد تم بالفعل إنشاء نماذج أولية للأجهزة اللازمة لتنفيذ مثل هذا الاتصال الكمي الآمن، ولكن الأفكار بدأت تظهر أيضًا لتسوية تشغيل كل هذه "القنوات الآمنة تمامًا"، على سبيل المثال، من خلال قياسات كمية ضعيفة قابلة للعكس، لذلك لا يزال من غير الواضح ما إذا كان التشفير الكمي سينجح أم لا. تكون قادرًا على مغادرة مرحلة اختبار النموذج الأولي دون ما إذا كانت جميع التطورات محكوم عليها بالفشل مقدمًا وغير مناسبة للاستخدام العملي.

نقطة أخرى: انتقال الحالات المتشابكة لم يتم حتى الآن إلا عبر مسافات لا تتجاوز 100 كيلومتر، وذلك بسبب فقدان الفوتونات في الألياف الضوئية أو في الهواء، حيث أن احتمال وصول بعض الفوتونات على الأقل إلى يصبح الكاشف صغيرًا إلى حد التلاشي. من وقت لآخر، تظهر تقارير حول الإنجاز التالي على هذا المسار، لكن ليس من الممكن بعد تغطية الكرة الأرضية بأكملها بمثل هذا الاتصال.

لذا، أعلن فيزيائيون كنديون، في وقت سابق من هذا الشهر، عن محاولات ناجحة للتواصل عبر قناة كمومية آمنة مع طائرة، لكنها كانت على بعد 3-10 كيلومترات فقط من جهاز الإرسال.

يُعرف ما يسمى ببروتوكول المكرر الكمي كأحد الطرق لتحسين انتشار الإشارة بشكل جذري، لكن قيمته العملية تظل محل شك بسبب الحاجة إلى حل عدد من المشكلات التقنية المعقدة.

وهناك نهج آخر يتمثل على وجه التحديد في استخدام تكنولوجيا الأقمار الصناعية، حيث يمكن للقمر الصناعي أن يظل على خط البصر لأماكن مختلفة بعيدة جدًا على الأرض في نفس الوقت. تتمثل الميزة الرئيسية لهذا النهج في أن معظم مسار الفوتون سيكون في فراغ افتراضي، مع عدم وجود امتصاص تقريبًا وعدم وجود ترابط.

ولإثبات جدوى التجارب الساتلية، أجرى الخبراء الصينيون اختبارات أرضية أولية أظهرت انتشارًا ناجحًا ثنائي الاتجاه لأزواج الفوتون المتشابكة عبر وسط مفتوح على مسافات 600 متر و13 و102 كيلومتر مع خسارة فعالة للقناة قدرها 80 ديسيبل. كما تم إجراء تجارب على نقل الحالات الكمومية على منصات متحركة في ظل ظروف الفقد والاضطراب العاليين.

بعد دراسات جدوى تفصيلية بمشاركة علماء نمساويين، تم تطوير قمر صناعي بقيمة 100 مليون دولار وإطلاقه في 16 أغسطس 2016 من مركز جيوتشيوان لإطلاق الأقمار الصناعية في صحراء غوبي باستخدام مركبة الإطلاق Long March 2D إلى مدار على ارتفاع 500 كيلومتر. .

تم تسمية القمر الصناعي باسم "مو تزو" تكريما للفيلسوف الصيني القديم في القرن الخامس قبل الميلاد، مؤسس Moism (عقيدة الحب العالمي وتبعية الدولة). لعدة قرون في الصين، تنافست الموهية بنجاح مع الكونفوشيوسية حتى تم اعتماد الأخيرة كأيديولوجية الدولة.

يتم دعم مهمة Mozi بواسطة ثلاث محطات أرضية: Delinghe (مقاطعة تشينغهاي)، ونانشان في أورومتشي (شينجيانغ)، ومرصد GaoMeiGu (GMG) في ليجيانغ (مقاطعة يوننان). المسافة بين ديلينغهي وليجيان هي 1203 كم. وتتراوح المسافة بين القمر الصناعي المداري وهذه المحطات الأرضية بين 500-2000 كيلومتر.

ولأن الفوتونات المتشابكة لا يمكن ببساطة "تضخيمها" مثل الإشارات الكلاسيكية، فقد كان لا بد من تطوير تقنيات جديدة لتقليل التوهين في روابط النقل بين الأرض والأقمار الصناعية. ولتحقيق كفاءة الاتصال المطلوبة، كان من الضروري تحقيق الحد الأدنى من انحراف الحزمة واستهداف أجهزة الكشف بسرعة ودقة عالية في نفس الوقت.

بعد تطوير مصدر كوني فائق الإضاءة لتشابك فوتونين وتقنية APT عالية الدقة (الاكتساب والتوجيه والتتبع)، أنشأ الفريق "اقترانًا كميًا" بين أزواج من الفوتونات مفصولة بمسافة 1203 كم، أجرى العلماء ما يسمى اختبار الجرس لاختبار انتهاكات الموقع (القدرة على التأثير الفوري على حالة الجسيمات البعيدة) وحصل على نتيجة ذات دلالة إحصائية قدرها أربعة سيجما (الانحرافات المعيارية).

رسم تخطيطي لمصدر الفوتون على القمر الصناعي. يبلغ سمك بلورة KTiOPO4 (PPKTP) 15 مم. يقوم زوج من المرايا المقعرة خارج المحور بتركيز مضخة الليزر (PL) في وسط بلورة PPKTP. يستخدم ناتج مقياس تداخل Sagnac مرآتين ثنائي اللون (DM) ومرشحات لفصل فوتونات الإشارة عن مضخة الليزر. يتم استخدام مرآتين إضافيتين (PI)، يتم التحكم فيهما عن بعد من الأرض، لضبط اتجاه الشعاع بدقة للحصول على كفاءة تجميع الشعاع المثلى. QWP - قسم مرحلة ربع الموجة؛ HWP - قسم طور نصف الموجة؛ PBS - مقسم شعاع الاستقطاب.

وبالمقارنة مع الطرق السابقة التي تستخدم ألياف الاتصالات التجارية الأكثر شيوعًا، كانت كفاءة الاتصال عبر الأقمار الصناعية أعلى بعدة مرات، وهو ما يفتح الطريق، وفقًا لمؤلفي الدراسة، لتطبيقات عملية لم تكن متاحة سابقًا على الأرض.

أ. شيشلوفا. بناءً على مواد من مجلتي "الطبيعة" و"أخبار العلوم".

في التجارب الفيزيائية الدقيقة، يبدو أنه كان من الممكن القيام بما اعتبره أكثر كتاب الخيال العلمي جرأة ليس أكثر من خيال غير واقعي: من خلال دراسة أحد الجسيمات المرتبطة ذات يوم، يمكن للمرء الحصول على المعلومات على الفور (بسرعة فائقة!) من أي مسافة. عن حالة جسيم آخر.

لقد أتقن أبطال أفلام الخيال العلمي والروايات منذ فترة طويلة النقل الآني - وهي طريقة ملائمة للتحرك على الفور في الزمان والمكان. أما بالنسبة للحياة الحقيقية، فلا يزال هذا مجرد حلم.

ومع ذلك، في عام 1935، اقترح ألبرت أينشتاين، جنبا إلى جنب مع زملائه B. Podolsky و N. Rosen، تجربة على النقل الآني، إن لم يكن المادة، ثم المعلومات. تسمى طريقة الاتصال فائقة السطوع هذه بمفارقة EPR.

جوهر المفارقة هو على النحو التالي. هناك جسيمان يتفاعلان لبعض الوقت، ويشكلان نظامًا واحدًا. من وجهة نظر ميكانيكا الكم، يمكن وصف هذا النظام المقترن بوظيفة موجية معينة. عندما يتوقف التفاعل وتطير الجسيمات بعيدًا جدًا، ستظل موصوفة بنفس الوظيفة. لكن حالة كل جسيم على حدة غير معروفة من حيث المبدأ: وهذا ناتج عن علاقة عدم اليقين. وفقط عندما يضرب أحدهم جهاز الاستقبال الذي يسجل معلماته، يظهر الآخر (يظهر، لم يصبح معروفًا!) الخصائص المقابلة. وهذا يعني أن "النقل" الفوري للحالة الكمومية للجسيم على مسافة كبيرة غير محدودة هو أمر ممكن. لا يحدث النقل الآني للجسيم نفسه ونقل الكتلة.

تتصرف المقذوفة التي تنقسم إلى قسمين بطريقة مماثلة: إذا كانت ثابتة قبل الانفجار، فإن الزخم الإجمالي لشظاياها يكون صفرًا. ومن خلال "التقاط" جزء واحد وقياس زخمه، يمكنك على الفور تحديد حجم زخم الجزء الثاني، بغض النظر عن المسافة التي يطير بها.

اليوم، تدعي مجموعتان علميتان على الأقل - باحثون نمساويون من جامعة إنسبروك وباحثون إيطاليون من جامعة لا سابينزا في روما - أنهم تمكنوا من نقل خصائص الفوتون فوريًا في ظروف المختبر.

نقلت التجارب التي أجريت في إنسبروك "رسائل" على شكل فوتونات مستقطبة من الأشعة فوق البنفسجية. يتفاعل هذا الفوتون في خلاط بصري مع زوج من الفوتونات المقترنة. بينهما، بدوره، نشأ اتصال ميكانيكي كمي، مما أدى إلى استقطاب الزوج الجديد. وهكذا، حقق المجربون نتيجة مثيرة للاهتمام للغاية: لقد تعلموا ربط الفوتونات التي ليس لها أصل مشترك. وهذا يفتح إمكانية إجراء فئة كاملة من التجارب الجديدة بشكل أساسي.

ونتيجة للقياس، اكتسب الفوتون الثاني من الزوج المزدوج الأصلي أيضًا بعض الاستقطاب الثابت: حيث تم نقل نسخة من الحالة الأصلية لـ "الفوتون الرسول" إلى الفوتون البعيد. كان التحدي الأصعب هو إثبات أن الحالة الكمومية قد تم نقلها آنيًا بالفعل: وهذا يتطلب معرفة كيفية وضع الكواشف بدقة لقياس الاستقطاب الإجمالي، ويتطلب مزامنة دقيقة لها.

بدلاً من استخدام "فوتون مرسال" منفصل، اقترح الباحثون الإيطاليون النظر في وقت واحد في خاصيتين لكل جسيم مرتبط: الاستقطاب واتجاه الحركة. وهذا يجعل من الممكن وصفها نظريًا على أنها جزيئات منفصلة وفي نفس الوقت، عن طريق إجراء القياسات باستخدام الجسيم الأول فقط، والحصول على خصائص الجسيم الثاني دون لمسه - لإجراء النقل الآني.

بعد أن حققوا النجاح في النقل الآني للفوتون، يخطط المجربون بالفعل للعمل مع جزيئات أخرى - الإلكترونات والذرات وحتى الأيونات. سيسمح هذا بنقل الحالة الكمومية من جسيم قصير العمر إلى جسيم أكثر استقرارًا. وبهذه الطريقة، سيكون من الممكن إنشاء أجهزة تخزين حيث يتم تخزين المعلومات التي تجلبها الفوتونات على أيونات معزولة عن البيئة.

بعد إنشاء طرق موثوقة للنقل الآني الكمي، ستنشأ متطلبات مسبقة حقيقية لإنشاء أنظمة الحوسبة الكمومية (انظر "العلم والحياة" رقم 6، 1996). سيوفر النقل الآني نقلًا موثوقًا وتخزينًا للمعلومات على خلفية التداخل القوي، عندما تكون جميع الطرق الأخرى غير فعالة، ويمكن استخدامه للتواصل بين العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأساليب التي طورها الباحثون أنفسهم لها أهمية كبيرة للتجارب المستقبلية في ميكانيكا الكم، لاختبار وتحسين عدد من النظريات الفيزيائية الحديثة.

النقل الآني الكمي- هذا ليس نقلًا فوريًا للأشياء المادية، وليس للطاقة، بل للحالات. لكن في هذه الحالة، تنتقل الحالات بطريقة من المستحيل القيام بها في التمثيل الكلاسيكي. كقاعدة عامة، يتطلب نقل المعلومات حول كائن ما عددًا كبيرًا من القياسات الشاملة. لكنها تدمر الحالة الكمومية، وليس لدينا طريقة لقياسها مرة أخرى. يتم استخدام النقل الآني الكمي لنقل ونقل حالة معينة، مع وجود الحد الأدنى من المعلومات عنها، دون "البحث" فيها، دون قياسها، وبالتالي دون إزعاجها.

الكيوبتات

الكيوبت هي الحالة التي يتم نقلها أثناء النقل الكمي الآني. البت الكمومي في حالة تراكب من حالتين. الحالة الكلاسيكية، على سبيل المثال، هي إما في الحالة 0 أو الحالة 1. الحالة الكمومية في حالة تراكب، والأهم من ذلك، أنه حتى نقيسها، لن يتم تعريفها. لنتخيل أن لدينا كيوبتًا بنسبة 30% - 0 و70% - 1. إذا قمنا بقياسه، يمكننا الحصول على 0 و1 معًا. لا يمكنك قول أي شيء بقياس واحد. ولكن إذا قمنا بإعداد 100 أو 1000 حالة متطابقة من هذا القبيل وقمنا بقياسها مرارًا وتكرارًا، فيمكننا وصف هذه الحالة بدقة تامة وفهم أنه كان هناك بالفعل 30٪ - 0 و70٪ - 1.

وهذا مثال على الحصول على المعلومات بالطريقة الكلاسيكية. بعد تلقي كمية كبيرة من البيانات، يمكن للمستلم إعادة إنشاء هذه الحالة. ومع ذلك، فإن ميكانيكا الكم تجعل من الممكن عدم إعداد العديد من الحالات. دعونا نتخيل أن لدينا واحدة فقط، فريدة من نوعها، وليس هناك غيرها. عندها لن يكون من الممكن نقله في الكلاسيكيات. جسديًا، بشكل مباشر، هذا أيضًا ليس ممكنًا دائمًا. وفي ميكانيكا الكم يمكننا استخدام تأثير التشابك.

كما نستخدم ظاهرة اللامكانية الكمومية، أي ظاهرة مستحيلة في العالم الذي اعتدنا عليه، بحيث تختفي هذه الحالة هنا وتظهر هناك. علاوة على ذلك، فإن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه فيما يتعلق بنفس الأشياء الكمومية، هناك نظرية حول عدم الاستنساخ. أي أنه من المستحيل إنشاء حالة متطابقة ثانية. يجب تدمير أحدهما حتى يظهر الآخر.

التشابك الكمي

ما هو تأثير التشابك؟ هاتان حالتان تم إعدادهما بطريقة خاصة، كائنان كميان - الكيوبتات. للتبسيط، يمكننا أن نأخذ الفوتونات. إذا تم فصل هذه الفوتونات على مسافة كبيرة، فإنها سوف ترتبط مع بعضها البعض. ماذا يعني ذلك؟ لنتخيل أن لدينا فوتونًا أزرق اللون وآخر أخضر. إذا قمنا بتفكيكهم ونظرنا إليهم ووجدت اللون الأزرق، فقد تبين أن لونك أخضر، والعكس صحيح. أو إذا أخذت صندوق أحذية يحتوي على حذاء يمين ويسار، فأخرجهما بهدوء وفي كيس خذ حذاءًا لك والآخر لي. لذلك فتحت الحقيبة ونظرت: لدي الحقيبة الصحيحة. لذلك، لديك بالتأكيد اليسار.

تختلف الحالة الكمومية من حيث أن الحالة التي أتت لي قبل القياس ليست زرقاء ولا خضراء، بل هي تراكب بين اللونين الأزرق والأخضر. بمجرد فصل الحذاء، تكون النتيجة محددة مسبقًا. أثناء حمل الأكياس، لم يتم فتحها بعد، ولكن من الواضح بالفعل ما الذي سيكون هناك. وإلى أن يتم قياس الأجسام الكمومية، لم يتم تحديد أي شيء بعد.

إذا لم نأخذ اللون، بل الاستقطاب، أي اتجاه تذبذبات المجال الكهربائي، فيمكننا التمييز بين خيارين: الاستقطاب الرأسي والأفقي و+45 درجة - -45 درجة. إذا قمت بجمع الأفقي والرأسي بنسب متساوية، فستحصل على +45 درجة، وإذا طرحت أحدهما من الآخر، فستحصل على -45 درجة. الآن دعونا نتخيل أنه بنفس الطريقة تمامًا وصل أحد الفوتون إليّ والآخر إليك. نظرت: إنه عمودي. لذا فإن وضعك أفقي. لنتخيل الآن أنني رأيت شكلًا رأسيًا، ونظرت إليه على أساس قطري، أي إذا نظرت إليه - فهو +45 درجة أو -45 درجة، فسترى باحتمال متساوٍ إحدى النتيجة أو الأخرى. ولكن إذا نظرت إلى الأساس القطري ورأيت +45 درجة، فأنا أعلم بالتأكيد أن لديك -45 درجة.

مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين

يرتبط التشابك الكمي بالخصائص الأساسية لميكانيكا الكم وما يسمى بمفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين. احتج أينشتاين لفترة طويلة ضد ميكانيكا الكم لأنه كان يعتقد أن الطبيعة لا تستطيع نقل المعلومات حول حالة ما بسرعة أكبر من سرعة الضوء. يمكننا نشر الفوتونات إلى مسافة بعيدة جدًا، على سبيل المثال، سنة ضوئية، وفتحها في نفس الوقت. وسنظل نرى هذا الارتباط.

ولكن في الواقع، هذا لا ينتهك النظرية النسبية، لأننا ما زلنا لا نستطيع نقل المعلومات باستخدام هذا التأثير. يتم قياس الفوتون الرأسي أو الأفقي. لكن من غير المعروف مسبقًا ما سيكون عليه بالضبط. على الرغم من أنه من المستحيل نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء، فإن التشابك الكمي يجعل من الممكن تنفيذ بروتوكول النقل الآني الكمي. ما هذا؟ يولد زوج متشابك من الفوتونات. واحد يذهب إلى المرسل، والآخر إلى المتلقي. يقوم المرسل بإجراء قياس مشترك للفوتون المستهدف الذي يجب أن يرسله. ومع احتمال ¼، سيحصل على النتيجة حسنًا. يمكنه إيصال ذلك إلى المتلقي، والمتلقي في تلك اللحظة يعلم أن لديه نفس الحالة التي كان عليها المرسل. ومع احتمال ¾ يحصل على نتيجة مختلفة - ليس مجرد قياس غير ناجح، ولكن ببساطة نتيجة مختلفة. لكن على أية حال فهذه معلومات مفيدة يمكن نقلها إلى المتلقي. في ثلاث من أصل أربع حالات، يجب على المتلقي إجراء دوران إضافي للكيوبت الخاص به للحصول على الحالة المرسلة. وهذا هو، يتم نقل 2 بت من المعلومات، وبمساعدتهم يمكنك نقل حالة معقدة لا يمكن تشفيرها معهم.

التشفير الكمي

أحد المجالات الرئيسية لتطبيق النقل الآني الكمي هو ما يسمى بالتشفير الكمي. الفكرة وراء هذه التقنية هي أنه لا يمكن استنساخ فوتون واحد. لذلك، يمكننا نقل المعلومات في هذا الفوتون الواحد، ولا يمكن لأحد أن يكررها. علاوة على ذلك، مع أي محاولة من قبل شخص ما لمعرفة شيء عن هذه المعلومات، فإن حالة الفوتون سوف تتغير أو يتم تدميرها. وعليه سيتم ملاحظة أي محاولة للحصول على هذه المعلومات من قبل جهات خارجية. يمكن استخدام هذا في التشفير وحماية المعلومات. صحيح، لا يتم إرسال معلومات مفيدة، ولكن المفتاح الذي يسمح بعد ذلك بشكل كلاسيكي بنقل المعلومات بشكل موثوق تماما.

هذه التكنولوجيا لها عيب واحد كبير. والحقيقة هي أنه كما قلنا سابقًا، من المستحيل إنشاء نسخة من الفوتون. يمكن تضخيم الإشارة العادية في الألياف الضوئية. بالنسبة للحالة الكمومية، من المستحيل تضخيم الإشارة، لأن التضخيم سيكون معادلاً لنوع من المعترضات. وفي الحياة الواقعية، يقتصر الإرسال على الخطوط الحقيقية على مسافة 100 كيلومتر تقريبًا. في عام 2016، أجرى مركز الكم الروسي عرضًا توضيحيًا على خطوط غازبرومبانك، حيث أظهر التشفير الكمي على 30 كيلومترًا من الألياف في بيئة حضرية.

في المختبر، نحن قادرون على إثبات النقل الآني الكمي على مسافات تصل إلى 327 كيلومترًا. لكن لسوء الحظ، فإن المسافات الطويلة غير عملية، لأن الفوتونات تُفقد في الألياف وتكون السرعة منخفضة جدًا. ما يجب القيام به؟ يمكنك تثبيت خادم وسيط يتلقى المعلومات ويفك تشفيرها ثم يقوم بتشفيرها مرة أخرى ويرسلها إلى أبعد من ذلك. وهذا ما يفعله الصينيون، على سبيل المثال، عند بناء شبكة التشفير الكمي الخاصة بهم. والأميركيون يستخدمون نفس النهج.

يعد النقل الآني الكمي في هذه الحالة طريقة جديدة تسمح لك بحل مشكلة التشفير الكمي وزيادة المسافة إلى آلاف الكيلومترات. وفي هذه الحالة، يتم نقل نفس الفوتون الذي يتم إرساله عدة مرات. تعمل العديد من المجموعات حول العالم على هذه المهمة.

الذاكرة الكمومية

دعونا نتخيل سلسلة من النقل الآني. يحتوي كل رابط على مولد للأزواج المتشابكة، والذي يجب عليه إنشاءها وتوزيعها. وهذا لا يحدث دائمًا بنجاح. في بعض الأحيان تحتاج إلى الانتظار حتى تنجح المحاولة التالية لتوزيع الأزواج. ويجب أن يكون للبت الكمي مكان ما حيث سينتظر النقل الآني. هذه هي الذاكرة الكمومية.

في التشفير الكمي، هو نوع من محطة الطريق. تسمى هذه المحطات بالمكررات الكمومية، وهي الآن أحد المجالات الرئيسية للبحث والتجريب. هذا موضوع شائع؛ في أوائل عام 2010، كان المعيدون احتمالًا بعيدًا جدًا، لكن المهمة الآن تبدو ممكنة. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن التكنولوجيا تتطور باستمرار، بما في ذلك معايير الاتصالات السلكية واللاسلكية.

تقدم التجربة في المختبر

إذا أتيت إلى مختبر الاتصالات الكمومية، فسوف ترى الكثير من الإلكترونيات والألياف الضوئية. جميع البصريات قياسية، والاتصالات السلكية واللاسلكية، وأشعة الليزر في صناديق قياسية صغيرة - رقائق. إذا ذهبت إلى المختبر الكسندر لفوفسكي، حيث يقومون، على وجه الخصوص، بالنقل الآني، ثم سترى طاولة بصرية مثبتة على دعامات هوائية. أي أنك إذا لمست هذه الطاولة التي تزن طنًا بإصبعك، فإنها ستبدأ في الطفو والتأرجح. ويتم ذلك لأن التكنولوجيا التي تنفذ البروتوكولات الكمومية حساسة للغاية. إذا وقفت على أرجل صلبة وتجولت، فسيكون كل ذلك بسبب اهتزازات الطاولة. وهذا يعني أن هذه بصريات مفتوحة وأشعة ليزر باهظة الثمن إلى حد ما. بشكل عام، هذه معدات ضخمة للغاية.

يتم تحضير الحالة الأولية بالليزر. لتحضير الحالات المتشابكة، يتم استخدام بلورة غير خطية، يتم ضخها بواسطة ليزر نابض أو مستمر. بسبب التأثيرات غير الخطية، تولد أزواج من الفوتونات. لنتخيل أن لدينا فوتونًا ذو طاقة اثنين - ℏ(2ω)، وقد تحول إلى فوتونين طاقة واحدة - ℏω+ ℏω. ولا تولد هذه الفوتونات إلا معًا؛ في البداية لا يمكن لفوتون واحد أن ينفصل، ثم فوتون آخر. وهي متصلة (متشابكة) وتظهر ارتباطات غير كلاسيكية.

التاريخ والبحوث الحالية

لذلك، في حالة النقل الآني الكمي، لوحظ تأثير لا يمكننا ملاحظته في الحياة اليومية. ولكن كانت هناك صورة جميلة جدًا ورائعة، والتي كانت مناسبة تمامًا لوصف هذه الظاهرة، ولهذا السبب سُميت بذلك - النقل الآني الكمي. كما ذكرنا سابقًا، لا توجد لحظة زمنية لا يزال فيها الكيوبت موجودًا هنا، ولكنه ظهر بالفعل هناك. وهذا هو، يتم تدميره أولا هنا، ثم يظهر هناك فقط. هذا هو نفس النقل الآني.

تم اقتراح النقل الآني الكمي نظريًا في عام 1993 من قبل مجموعة من العلماء الأمريكيين بقيادة تشارلز بينيت، وهنا ظهر المصطلح. تم تنفيذ أول تطبيق تجريبي في عام 1997 من قبل مجموعتين من الفيزيائيين في إنسبروك وروما. وتدريجيًا، أصبح العلماء قادرين على نقل الحالات عبر مسافات أكبر بشكل متزايد - من متر واحد إلى مئات الكيلومترات أو أكثر.

والآن يحاول الناس إجراء تجارب قد تصبح أساسًا للمكررات الكمومية في المستقبل. ومن المتوقع أنه خلال 5 إلى 10 سنوات سنرى مكررات كمومية حقيقية. يتطور أيضًا اتجاه نقل الحالة بين الأجسام ذات الطبيعة المختلفة، بما في ذلك في مايو 2016، تم إجراء النقل الكمي الهجين في مركز الكم في مختبر ألكسندر لفوفسكي. النظرية أيضا لا تقف مكتوفة الأيدي. في نفس مركز الكم، تحت قيادة أليكسي فيدوروف، يتم تطوير بروتوكول النقل الآني ليس في اتجاه واحد، ولكن ثنائي الاتجاه، بحيث بمساعدة زوج واحد، يمكن نقل الحالات في وقت واحد نحو بعضها البعض.

إن عملنا على التشفير الكمي يخلق توزيعًا كميًا وجهازًا رئيسيًا، مما يعني أننا نولد مفتاحًا لا يمكن اعتراضه. وبعد ذلك يمكن للمستخدم تشفير المعلومات باستخدام هذا المفتاح، باستخدام ما يسمى بلوحة المرة الواحدة. ينبغي الكشف عن المزايا الجديدة للتقنيات الكمومية في العقد المقبل. إنشاء أجهزة استشعار الكم يتطور. جوهرها هو أنه بسبب التأثيرات الكمومية يمكننا قياس، على سبيل المثال، المجال المغناطيسي ودرجة الحرارة بشكل أكثر دقة. وهذا هو، ما يسمى بمراكز NV في الماس مأخوذة - وهي عبارة عن ماس صغير، ولديها عيوب نيتروجينية تتصرف مثل الأجسام الكمومية. إنها تشبه إلى حد كبير الذرة المفردة المجمدة. وبالنظر إلى هذا العيب، يمكن ملاحظة التغيرات في درجات الحرارة، حتى داخل الخلية الواحدة. وهذا يعني أنه ليس فقط قياس درجة الحرارة تحت الذراع، ولكن أيضًا درجة حرارة العضية داخل الخلية.

لدى مركز الكم الروسي أيضًا مشروع الصمام الثنائي الدوراني. الفكرة هي أنه يمكننا أن نأخذ هوائيًا ونبدأ في تجميع الطاقة من موجات الراديو الخلفية بكفاءة عالية. يكفي أن نتذكر عدد مصادر Wi-Fi الموجودة الآن في المدن لفهم أن هناك الكثير من طاقة الموجات الراديوية حولها. ويمكن استخدامه لأجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها (على سبيل المثال، جهاز استشعار نسبة السكر في الدم). وهي تتطلب مصدرًا ثابتًا للطاقة: إما بطارية أو نظامًا يجمع الطاقة، بما في ذلك من الهاتف المحمول. أي أنه من ناحية، يمكن حل هذه المشكلات بقاعدة العناصر الموجودة بجودة معينة، ومن ناحية أخرى، يمكن تطبيق التقنيات الكمومية ويمكن حل هذه المشكلة بشكل أفضل، وحتى أصغر حجمًا.

لقد غيرت ميكانيكا الكم حياة الإنسان بشكل كبير. أشباه الموصلات، القنبلة الذرية، الطاقة النووية - هذه كلها أشياء تعمل بفضلها. ويكافح العالم كله الآن للبدء في التحكم في الخصائص الكمومية للجسيمات المفردة، بما في ذلك الجسيمات المتشابكة. على سبيل المثال، يتضمن النقل الآني ثلاثة جسيمات: زوج واحد وزوج واحد مستهدف. ولكن تتم إدارة كل واحد منهم على حدة. يفتح التحكم الفردي في الجسيمات الأولية آفاقًا جديدة للتكنولوجيا، بما في ذلك الكمبيوتر الكمي.

يوري كوروشكين، مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، رئيس مختبر الاتصالات الكمومية بمركز الكم الروسي.

العلامات:

اضف اشارة

لم يحدث من قبل أن شهدت RuNet مثل هذا التعطش للمعرفة في ميكانيكا الكم كما حدث بعد نشر مقال في صحيفة كوميرسانت يشير إلى خطط لإدخال "النقل الآني" في روسيا. ومع ذلك، فإن برنامج وكالة المبادرات الإستراتيجية (ASI) للتطوير التكنولوجي في روسيا لا يقتصر على "النقل الآني"، ولكن هذا المصطلح هو الذي جذب انتباه الشبكات الاجتماعية ووسائل الإعلام وأصبح سببًا العديد من النكات.

ثم يتم نقل الجسيمات المتشابكة إلى المسافة المطلوبة - بحيث يبقى الفوتونات A وB في مكان، والفوتونات C في مكان آخر، ويتم وضع كابل من الألياف الضوئية بين النقطتين. لاحظ أن الحد الأقصى للمسافة التي تم فيها النقل الآني الكمي يزيد بالفعل عن 100 كيلومتر.

الهدف هو نقل الحالة الكمومية للجسيم غير المتشابك A إلى الجسيم C. وللقيام بذلك، يقوم العلماء بقياس الخاصية الكمومية للفوتونات A وB. ثم يتم تحويل نتائج القياس إلى رمز ثنائي يوضح الاختلافات بين الجسيمين A وB. .

يتم بعد ذلك نقل هذا الرمز عبر قناة اتصال تقليدية - وهي الألياف الضوئية، ويستخدم متلقي الرسالة في الطرف الآخر من الكابل، والذي يمتلك جسيم C، هذه المعلومات كتعليمات أو مفتاح للتلاعب بجسيم C - في الجوهر، واستعادة الحالة التي كان للجسيم C بمساعدة الجسيم C. الجسيم A. ونتيجة لذلك، يقوم الجسيم C بنسخ الحالة الكمومية للجسيم A - يتم نقل المعلومات عن بعد.

لماذا كل هذا مطلوب؟

بادئ ذي بدء، من المخطط استخدام النقل الآني الكمي في تقنيات الاتصالات الكمومية والتشفير الكمي - يبدو أمان هذا النوع من الاتصالات جذابًا لكل من الشركات والدولة، ويسمح لنا استخدام النقل الآني الكمي بتجنب فقدان المعلومات عندما تتحرك الفوتونات على طول الألياف الضوئية.

على سبيل المثال، أصبح معروفًا مؤخرًا عن النقل الناجح للمعلومات الكمومية بين مكتبين لشركة غازبروم بنك في موسكو عبر ألياف ضوئية يبلغ طولها 30.6 كيلومترًا. المشروع، الذي عمل عليه مركز الكم الروسي (RCC)، والذي استثمر فيه بنك غازبروم ووزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي 450 مليون روبل، تبين في الواقع أنه أول خط اتصال كمي "حضري" في روسيا.

الاتجاه الآخر هو أجهزة الكمبيوتر الكمومية، حيث يمكن استخدام الجسيمات المتشابكة كوحدات كيوبت - وحدات المعلومات الكمومية.

فكرة أخرى هي "الإنترنت الكمي": شبكة اتصالات كاملة تعتمد فقط على الاتصالات الكمومية. ومع ذلك، لتنفيذ هذا المفهوم، يحتاج الباحثون إلى "تعلم كيفية نقل الحالات الكمومية بين الأجسام ذات الطبيعة الفيزيائية المختلفة - الفوتونات، والذرات، والنقاط الكمومية، والدوائر فائقة التوصيل، وما إلى ذلك"، كما أشار موظف RCC والأستاذ في جامعة كالجاري ألكسندر لفوفسكي. في محادثة مع N+1 .

لاحظ أنه في الوقت الحالي يقوم العلماء بنقل حالات الفوتونات والذرات بشكل أساسي؛ لم يكن من الممكن بعد نقل الأجسام الأكبر حجمًا.

النقل الآني الكمي هو النقل الآني "نفسه".

على ما يبدو، من الناحية النظرية، لا يزال من الممكن استخدام النقل الآني الكمي لإنشاء نسخ من الأجسام الكبيرة، بما في ذلك البشر - بعد كل شيء، يتكون الجسم أيضًا من ذرات، يمكن نقل حالاتها الكمية عن بعد. ومع ذلك، في المرحلة الحالية من تطور التكنولوجيا، يعتبر هذا مستحيلا وينزل إلى عالم الخيال العلمي.

"نحن مصنوعون من الأكسجين والهيدروجين والكربون، مع إضافة صغيرة من العناصر الكيميائية الأخرى. إذا قمنا بجمع العدد المطلوب من ذرات العناصر المطلوبة، ثم باستخدام النقل الآني، قم بإحضارها إلى حالة مماثلة لحالتها في جسم الشخص المنقول عن بعد، فسنحصل على نفس الشخص. ولن يكون من الممكن تمييزها ماديًا عن الأصل باستثناء موقعها في الفضاء (بعد كل شيء، لا يمكن تمييز الجسيمات الكمومية المتطابقة). أنا، بطبيعة الحال، أبالغ إلى أقصى الحدود - فالأبدية بأكملها تفصلنا عن النقل الآني البشري. ومع ذلك، فإن جوهر المشكلة هو على وجه التحديد: توجد جسيمات كمومية متطابقة في كل مكان، ولكن جلبها إلى الحالة الكمية المرغوبة ليس بالأمر السهل على الإطلاق.