النقل عن بعد الكمومي هو النقل عن بعد ليس من الأشياء المادية ، وليس الطاقة ، ولكن الدول. لكن في هذه الحالة ، تنتقل الولايات بطريقة تجعل من المستحيل القيام بذلك في التمثيل الكلاسيكي. كقاعدة ، هناك حاجة إلى عدد كبير من القياسات الشاملة لنقل المعلومات حول كائن. لكنهم يدمرون الحالة الكمومية ، وليس لدينا طريقة لإعادة قياسها. يتم استخدام النقل عن بعد الكمومي لنقل ، ونقل حالة معينة ، وامتلاك الحد الأدنى من المعلومات عنها ، دون "النظر" إليها ، دون قياس وبالتالي لا تنتهك.

Qubits

Qubit - هذه هي الحالة التي تنتقل أثناء التحريك الكمي. البت الكمومي في تراكب حالتين. الحالة الكلاسيكية ، على سبيل المثال ، إما في الحالة 0 أو في الحالة 1. الحالة الكمية في تراكب ، والأهم من ذلك ، حتى نقيسها ، لن يتم تحديدها. تخيل أنه كان لدينا كيوبت من 30٪ - 0 و 70٪ - 1. إذا قمنا بقياسها ، فيمكننا الحصول على 0 و 1. لا يمكن للمرء أن يقول أي شيء في قياس واحد. ولكن إذا قمنا بإعداد 100 ، 1000 من هذه الحالات المتطابقة وقمنا بقياسها مرارًا وتكرارًا ، فيمكننا وصف هذه الحالة بدقة إلى حد ما وفهم أنه كانت هناك بالفعل 30٪ - 0 و 70٪ - 1.

هذا مثال للحصول على المعلومات بطريقة كلاسيكية. بعد تلقي كمية كبيرة من البيانات ، يمكن للمستلم إعادة إنشاء هذه الحالة. ومع ذلك ، تسمح ميكانيكا الكم بعدم إعداد العديد من الحالات. تخيل أن لدينا واحدة فقط ، فريدة من نوعها ، وليس هناك واحد آخر. ثم في الكلاسيكيات ، لن يعمل نقله. جسديًا ، بشكل مباشر ، هذا ليس ممكنًا دائمًا. وفي ميكانيكا الكم يمكننا استخدام تأثير التشابك.

نستخدم أيضًا ظاهرة اللا تموضع الكمي ، وهي ظاهرة مستحيلة في العالم الذي نعرفه حتى تختفي هذه الحالة وتظهر هناك. علاوة على ذلك ، الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه فيما يتعلق بنفس الأشياء الكمومية ، هناك نظرية غير استنساخ. أي أنه من المستحيل إنشاء دولة متطابقة ثانية. يجب تدمير أحدهما لكي يظهر الآخر.

تشابك الكم

ما هو تأثير التشابك؟ هذه تم إعدادها بشكل خاص دولتين ، كائنين كميين - كوبيتات. من أجل البساطة ، يمكنك التقاط الفوتونات. إذا انتشرت هذه الفوتونات على مسافة كبيرة ، فسوف ترتبط ببعضها البعض. ماذا يعني هذا؟ تخيل أن لدينا الفوتون الأزرق والأخضر. إذا حطمناهم ، ونظرنا وتحولت إلى اللون الأزرق ، فهذا يعني أنك تحولت إلى اللون الأخضر ، والعكس صحيح. أو إذا كنت تأخذ صندوقًا من الأحذية حيث يوجد حذاء يمينًا ويسارًا ، فقم بسحبه بهدوء وحمل حذاءًا إليك ، والآخر لي في الحقيبة. لذلك فتحت الحقيبة ، انظر: لدي الحق. لذلك لديك اليسار بالضبط.

تختلف حالة الكم من حيث أن الحالة التي جاءت إلي قبل القياس ليست زرقاء وليست خضراء - إنها في تراكب من الأزرق والأخضر. بعد تقسيم الحذاء ، تكون النتيجة محددة مسبقًا. بينما كانوا يحملون الحقائب ، لم يتم فتحها بعد ، ولكن من الواضح بالفعل ماذا سيكون هناك. وبينما لم يتم قياس الأجسام الكمومية ، لم يتم تحديد أي شيء.

إذا لم نأخذ اللون ، ولكن الاستقطاب ، أي اتجاه تذبذب المجال الكهربائي ، يمكننا تمييز خيارين: الاستقطاب الرأسي والأفقي و + 45 درجة - -45 درجة. إذا جمعت أفقيًا وعموديًا بنسب متساوية ، تحصل على +45 درجة ، إذا قمت بطرح أحدهما من الآخر ، ثم -45 درجة. تخيل الآن أنه بنفس الطريقة ، جاء لي فوتون واحد وآخر لك. نظرت: إنه عمودي. لذلك لديك أفقي. تخيل الآن أنني رأيت رأسيًا ، ونظرت إليه على أساس قطري ، أي أنك نظرت إليه - + 45 درجة أو -45 درجة ، سترى باحتمال متساوٍ ما إذا كانت هذه نتيجة مختلفة. ولكن إذا نظرت في الأساس القطري ورأيت +45 درجة ، فأنا على يقين من أن لديك -45 درجة.

مفارقة أينشتاين - بودولسكي - روزين

يرتبط التشابك الكمي بالخصائص الأساسية لميكانيكا الكم وما يسمى بمفارقة آينشتاين - بودولسكي - روزين. اعترض آينشتاين على ميكانيكا الكم لفترة طويلة ، لأنه يعتقد أن الطبيعة لا يمكنها نقل معلومات حول الحالة بسرعة أكبر من سرعة الضوء. يمكننا نشر الفوتونات بعيدًا جدًا ، على سبيل المثال ، في السنة الضوئية ، وفتحها في نفس الوقت. وسنظل نرى هذا الارتباط.

لكن في الواقع ، هذا لا ينتهك نظرية النسبية ، لأننا ما زلنا لا نستطيع نقل المعلومات باستخدام هذا التأثير. يقاس الفوتون الرأسي أو الأفقي. ولكن من غير المعروف مسبقًا ما سيكون عليه بالضبط. على الرغم من حقيقة أنه من المستحيل نقل المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء ، فإن التشابك يسمح لك بتنفيذ بروتوكول النقل الكمي. مما تتكون؟ ولد زوج من الفوتونات المتشابكة. واحد يذهب إلى جهاز الإرسال ، والآخر إلى جهاز الاستقبال. يقيس المرسل بشكل جماعي الفوتون المستهدف الذي يجب أن يرسله. ومع الاحتمال ، سيحصل على النتيجة موافق. يمكنه إبلاغ المستلم بذلك ، ويكتشف المستلم في هذه اللحظة أن لديه نفس الحالة تمامًا مثل جهاز الإرسال. ومع الاحتمال ، حصل على نتيجة مختلفة - ليس هذا قياس غير ناجح ،ولكن مجرد نتيجة مختلفة. ولكن على أي حال ، هذه معلومات مفيدة يمكن إرسالها إلى المستلم. يجب على المتلقي في ثلاث من أربع حالات إجراء دورة إضافية في كيوبته من أجل الحصول على الحالة المرسلة. بمعنى ، يتم إرسال قطعتين من المعلومات ، وبمساعدةهما ، من الممكن نقل حالة معقدة لا يمكن ترميزها.

التشفير الكمومي

أحد التطبيقات الرئيسية للانتقال الكمي هو ما يسمى التشفير الكمومي. الفكرة وراء هذه التقنية هي أنه لا يمكن استنساخ فوتون واحد. لذلك ، يمكننا نقل المعلومات في هذا الفوتون الواحد ، ولا يمكن لأحد تكرارها. علاوة على ذلك ، في أي محاولة من قبل شخص ما لمعرفة شيء ما حول هذه المعلومات ، ستتغير حالة الفوتون أو تنهار. وبناءً على ذلك ، سيتم ملاحظة أي محاولة للحصول على هذه المعلومات من قبل جهات خارجية. يمكن استخدامه في التشفير ، في حماية المعلومات. صحيح أنها ليست معلومات مفيدة يتم نقلها ، ولكن مفتاحًا ، يمكن بعد ذلك نقله بشكل موثوق به بشكل كلاسيكي.

هذه التكنولوجيا لديها عيب واحد كبير. الحقيقة هي ، كما قلنا سابقًا ، أنه من المستحيل إنشاء نسخة من الفوتون. يمكن تضخيم إشارة عادية في الألياف. بالنسبة للحالة الكمومية ، من المستحيل تضخيم الإشارة ، لأن التضخيم سيكون مكافئًا لبعض المعترضات. في الحياة الواقعية ، في الخطوط الحقيقية ، يقتصر الإرسال على مسافة 100 كيلومتر تقريبًا. في عام 2016 ، أجرى المركز الكمي الروسي مظاهرة على غرار Gazprombank ، حيث أظهروا التشفير الكمي على 30 كيلومترًا من الألياف في الظروف الحضرية.

في المختبر ، نحن قادرون على إظهار التحريك الكمي على مسافة تصل إلى 327 كيلومترًا. لكن ، للأسف ، المسافات الطويلة غير عملية لأن الفوتونات تضيع في الألياف والسرعة منخفضة جدًا. ماذا تفعل يمكنك وضع خادم وسيط ، والذي سيتلقى المعلومات ، ويفك التشفير ، ثم التشفير مرة أخرى وإرساله بشكل أكبر. وكذلك يفعل الصينيون على سبيل المثال عند بناء شبكة تشفير الكم الخاصة بهم. يتم استخدام نفس النهج من قبل الأمريكيين.

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

ذاكرة الكم

تخيل سلسلة من التخاطر. يوجد في كل من الروابط مولد للأزواج المتشابكة ، والتي يجب أن تنشئها وتوزعها. هذا ليس ناجحًا دائمًا. في بعض الأحيان تحتاج إلى الانتظار حتى تنجح محاولة أخرى لتوزيع أزواج. ويجب أن يكون للبيت الكويتي مكانًا حيث سينتظر الانتقال الفوري. هذه ذاكرة كمومية.

في التشفير الكمي ، هذا نوع من المحطة المتوسطة. تسمى هذه المحطات مكررات الكم ، وهي الآن واحدة من الاتجاهات الرئيسية للبحث والتجريب. هذا موضوع شائع ، في أوائل عام 2010 ، كان المكررون بعيدون جدًا ، ولكن يبدو الآن أن المهمة قابلة للتحقيق. إلى حد كبير لأن التكنولوجيا تتطور باستمرار ، بما في ذلك بسبب معايير الاتصالات.

التجربة المعملية

إذا أتيت إلى مختبر الاتصالات الكمومية ، فسترى الكثير من الإلكترونيات والألياف البصرية. جميع البصريات قياسية ، اتصالات ، ليزر في صناديق قياسية صغيرة - رقائق. إذا ذهبت إلى مختبر ألكسندر لفوفسكي ، حيث ، على وجه الخصوص ، يقومون بإجراء النقل عن بعد ، سترى طاولة بصرية ، يتم تثبيتها على الدعامات الهوائية. أي ، إذا تم لمس هذه الطاولة ، التي تزن طنًا ، بإصبع ، فستبدأ في السباحة والتمايل. وذلك لأن التقنية التي تطبق البروتوكولات الكمية حساسة للغاية. إذا وضعت أرجل صلبة وتمشي ، فسيكون كل هذا بسبب اهتزازات الطاولة. أي أنها بصريات مفتوحة ، ليزر باهظ الثمن نوعًا ما. بشكل عام ، هذه معدات ضخمة إلى حد ما.

يتم تحضير الحالة الأولية بواسطة الليزر. لتحضير حالات متشابكة ، يتم استخدام بلورة غير خطية ، يتم ضخها بواسطة ليزر نابض أو cw. بسبب التأثيرات غير الخطية ، تولد أزواج من الفوتونات. تخيل أن لدينا فوتونين للطاقة - ℏ (2ω) ، يتم تحويلها إلى فوتونين للطاقة واحد - ℏω + ℏω. تولد هذه الفوتونات معًا فقط ؛ فلا يمكن لفوتون واحد أن ينفصل أولاً ، ثم آخر. وهم مرتبطون (مرتبكون) ويظهرون ارتباطات غير كلاسيكية.

التاريخ والبحث الحالي

لذا ، في حالة الانتقال عن بعد الكم ، هناك تأثير لا يمكننا ملاحظته في الحياة اليومية. ولكن كانت هناك صورة جميلة ورائعة ، كانت مناسبة جدًا لوصف هذه الظاهرة ، ولهذا أطلقوا عليها اسم النقل الكمي. كما ذكرنا من قبل ، لا توجد لحظة من الزمن حيث لا يزال الكيوبت موجودًا هنا ، وقد ظهر بالفعل. تم تدميرها أولاً هنا ، وعندئذ فقط يظهر هناك. هذا هو نفس التخاطر.

تم اقتراح النقل الكمي للنظري في عام 1993 من قبل مجموعة من العلماء الأمريكيين بقيادة تشارلز بينيت - ثم ظهر هذا المصطلح. تم تنفيذ أول تطبيق تجريبي في عام 1997 من قبل مجموعتين من الفيزيائيين في إنسبروك وروما. تدريجيا ، تمكن العلماء من نقل الولاية على مسافة متزايدة - من متر واحد إلى مئات الكيلومترات أو أكثر.

يحاول الناس الآن إجراء تجارب ، والتي ربما ستصبح في المستقبل الأساس لمكررات الكم. من المتوقع أنه بعد 5-10 سنوات سنرى مكررات كمية حقيقية. يتطور أيضًا اتجاه نقل الحالة بين الأشياء ذات الطبيعة المختلفة ، بما في ذلك في مايو 2016 تم إجراء انتقال كمي هجين في مركز الكم ، في مختبر ألكسندر لفوفسكي. النظرية أيضا لا تقف ثابتة. في مركز Quantum نفسه ، تحت قيادة Alexei Fedorov ، يتم تطوير بروتوكول النقل عن بُعد ليس بطريقة واحدة ، ولكن ثنائية الاتجاه ، وذلك بمساعدة زوج واحد في وقت واحد في نفس الوقت تجاه بعضهما البعض إلى الولايات عن بعد.

كجزء من عملنا على التشفير الكمومي ، يتم إنشاء جهاز كمومي للتوزيع والمفتاح ، أي أننا ننتج مفتاحًا لا يمكن اعتراضه. وبعد ذلك يمكن للمستخدم بالفعل تشفير المعلومات باستخدام هذا المفتاح ، باستخدام ما يسمى المفكرة لمرة واحدة. يجب الكشف عن الفوائد الجديدة لتكنولوجيا الكم في العقد المقبل. يتطور تطوير أجهزة استشعار الكم. جوهرها هو أنه بسبب التأثيرات الكمية يمكننا قياس ، على سبيل المثال ، المجال المغناطيسي ودرجة الحرارة بشكل أكثر دقة. أي أن ما يسمى مراكز NV في الماس مأخوذة - هذه الماسات الصغيرة ، ولديها عيوب النيتروجين التي تتصرف في الأجسام الكمومية. وهي تشبه إلى حد كبير ذرة واحدة مجمدة. بالنظر إلى هذا العيب ، يمكن للمرء أن يلاحظ التغيرات في درجة الحرارة ، علاوة على ذلك ، داخل خلية واحدة. أي ، ليس فقط لقياس درجة الحرارة تحت الذراع ،ودرجة حرارة العضية داخل الخلية.

يحتوي مركز Quantum الروسي أيضًا على مشروع الصمام الثنائي. الفكرة هي أنه يمكننا أخذ الهوائي والبدء في جمع الطاقة بكفاءة عالية من موجات الراديو الخلفية. يكفي تذكر عدد مصادر Wi-Fi الموجودة حاليًا في المدن لفهم أن هناك الكثير من طاقة الموجات اللاسلكية. يمكن استخدامه لأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء (على سبيل المثال ، لمستشعر سكر الدم). إنهم بحاجة إلى إمدادات طاقة ثابتة: إما بطارية أو نظامًا يجمع الطاقة ، بما في ذلك من الهاتف المحمول. أي أنه من ناحية ، يمكن حل هذه المشاكل من خلال قاعدة العناصر الموجودة بجودة معينة ، ومن ناحية أخرى ، يمكنك تطبيق تقنيات الكم وحل هذه المشكلة بشكل أفضل ، حتى أكثر مصغرة.

غيرت ميكانيكا الكم الحياة البشرية إلى حد كبير. أشباه الموصلات ، القنبلة الذرية ، الطاقة الذرية - هذه كلها أشياء تعمل بفضلها. يكافح العالم كله الآن للتحكم في الخصائص الكمية للجسيمات الفردية ، بما في ذلك الجسيمات المتشابكة. على سبيل المثال ، هناك ثلاث جسيمات متورطة في الانتقال الفوري: زوج واحد والهدف. ولكن يتم إدارة كل منها بشكل منفصل. يفتح التحكم الفردي للجسيمات الأولية آفاقًا جديدة للتكنولوجيا ، بما في ذلك الكمبيوتر الكمومي.

يوري كوروتشكين ، مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية ، رئيس مختبر الاتصالات الكمومية لمركز الكم الروسي.

تخاطر الكم