تبديل الكم على نمط شرودنغر

يعمل العالم من حولنا وفقًا لقوانين العلوم الطبيعية منذ نشأتها. يمكننا شرح أي ظاهرة عمليا بالاعتماد على القوانين ذاتها. والآن نحن نعلم بالفعل أن البرق ليس غضب زيوس ، وأن التسونامي ليس ثعبان نبتون ، والأرض ليست مسطحة ، والسلاحف الضخمة التي تحمل عوالم بأكملها غير موجودة. صحيح أن بعض ممثلي العرق الخاص بنا لا يزالون يؤمنون بالبيانات الأخيرة. لكن اليوم سنتحدث عن العلم ، الذي يحب قلب كل شيء رأساً على عقب ، حول ميكانيكا الكم.

بتعبير أدق ، حول دراسة تُظهر تجريبيًا حقيقة أنه ليس لدينا دائمًا حالة واحدة لشيء ما. بتطبيق المعرفة من ميكانيكا الكم ، تمكن العلماء من تحقيق ترتيب سببي غير محدد في التحول الكمي. ما هو وكيف يعمل نتعلم من تقريرهم. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

السببية ظاهرة مألوفة ومفهومة للغاية. نحن نعلم أن إجراء معين يؤدي إلى نتيجة معينة ، كقاعدة. بالطبع ، في بعض الأحيان يمكن أن تكون هناك طرق مختلفة لتطوير الأحداث ، ولكن دائمًا ما يتم اختيار طريقة واحدة. لذا ، على سبيل المثال ، يمكننا زراعة البذور في وعاء ، وسوف تنمو زهرة أو لا تنمو. لا يمكنه القيام بالأمرين معا. ومن الجدير بالذكر التجربة النظرية الرائعة "قط شرودنغر".


لدراسة الترتيب السببي غير المؤكد ، يتم استخدام إطار عمل يحدد ما إذا كان أي موقف تجريبي (يشار إليه فيما بعد باسم العملية) يشير إلى عملية سببية ثابتة أم لا. مثال على عملية من ترتيب سببي غير محدد هو التبديل الكمي الذي يتم فيه تنفيذ عمليات الصندوق الأسود * على النظام المستهدف ، بينما يتم التحكم في المفتاح نفسه بشكل مترابط من خلال نظام الكم المتحكم.

الصندوق الأسود * - في هذه الحالة هو تسمية للعمليات التي لم تعرف بعد.

وفقًا للعلماء ، فإن الميزة الرئيسية لمفتاح التبديل الكمي هي حقيقة أنه لا يمكن تنفيذه باستخدام دائرة كمية تقليدية ، والتي تستخدم نفس عدد عمليات الصندوق الأسود.

والآن السؤال الذي نشأ على الفور في أذهان العلماء هو: هل من الممكن تحقيق هذا التحول الكمي في الظروف المعملية؟ والحقيقة هي أن تطبيق مثل هذه التقنية في الوقت الحالي لا يستفيد من التبديل الكمي ، حيث يتم استخدام "صناديق سوداء" إضافية. في مثل هذا التطبيق ، يتم التحكم في الترتيب من خلال المسار الذي تختاره الفوتونات ، في حين أن كل "صندوق أسود" (في هذه الحالة ، لوحات الموجة) يعمل اعتمادًا على استقطابها. أي أن الفوتونات تمر عبر لوحات موجية في نقطتين مختلفتين في الفضاء ، اعتمادًا على الترتيب. بالإضافة إلى ذلك ، هناك ناقص آخر (بشكل أكثر دقة ، الحد) - طول تماسك الفوتون في مثل هذا التنفيذ أقصر بكثير من المسافة بين لوحتي الموجة. هذا يعني أن العمليات يمكن أن تختلف أيضًا في الوقت ، حيث يمكن تنفيذ بعضها بشكل أسرع عن طريق التحكم في لوحات الموجة.

يدرك العلماء جيدًا أن التنفيذ أعلاه محفوف بالعديد من القيود. لهذا السبب ركزوا على التحول الكمي الذي يمكنه التغلب على هذه القيود.


الصورة رقم 1: التبديل الكمي.

تُظهر الصورة №1 مخططات التشغيل لمحول كمي ، حيث تكون وحدة التحكم qubit مسؤولة عن ترتيب معين يتم فيه تنفيذ عمليتي كمية A و B ، تستهدف وحدة الهدف المستهدفة | ψ⟩t .

1 أ - عندما تكون وحدة التحكم qubit في الحالة | 0⟩ _s ، ونتيجة لذلك لدينا عملية من النموذج AB ؛
1 ب - عندما تكون كويب التحكم في الحالة | 1⟩ _s ، تكون النتيجة العملية IA ؛
1 ج - إذا كانت كبيت التحكم في حالة تراكب الكم 1 / √2 (| 0⟩ + | 1⟩) _s ، فإن ترتيب العمليات ينتقل أيضًا إلى تراكب الكم. ونتيجة لذلك ، فإن الحالة العامة لنظام التحكم والهدف عند الإخراج هي كما يلي:



1d - يتم تشفير qubit الهدف | ψ⟩t في درجة حرية الاستقطاب ، بينما | 0⟩ و | 1⟩ عبارة عن مسارات فوتونية مختلفة عبر لوحات الموجة. تقوم هذه المسارات بتنفيذ العمليات A و B. نظرًا لأن الفوتونات تمر عبر لوحات الموجة عند نقطتين مختلفتين ، نحصل على 4 عمليات مختلفة: A1 و A2 و B1 و B2.

تجدر الإشارة إلى أنه في تنفيذ التبديل الكمي ، استخدم العلماء عمليتين فقط من نوع "الصندوق الأسود" ، تم استخدام كل منهما مرة واحدة فقط. في النظام التجريبي ، يتم تشفير qubit المتحكم في الاستقطاب ، ويتم تشفير qubit الهدف في الوضع المكاني المستعرض للفوتون.

يقول الباحثون إن اهتمامهم بالتحول الكمي ينبع من الرغبة في تنفيذ الترتيب السببي للنوع الكمي ، وهو ما لم يفعله أحد من قبل.

بالنظر إلى هذا ، في هذه الدراسة ، يتم تعريف العلاقات السببية على أنها القدرة على إرسال الإشارات بين الأحداث . نعني بالأحداث عمليات تغيير أو إعداد أو تحويل نظام مادي. كمثال ، يستشهد العلماء بفوتون يمر عبر عدة عدسات. هذا الفوتون يحدد حدث.

البنية السببية هي شبكة من العلاقات السببية المحتملة بين العديد من الأحداث.

مع تسوية المصطلحات "المحلية" ، يتم الآن تناول هذه العملية. أولاً ، ضع في اعتبارك النظام السببي النسبي. إذا كان الحدث A في الماضي فيما يتعلق بالحدث B ، فيمكننا إرسال إشارة من A إلى B. إذا كانت الأحداث منفصلة مكانيًا (بعيدة عن بعضها البعض في الفضاء) ، فلن يكون هناك أي تبادل للإشارات.

هنا يجدر توضيح ما هو "الفصل المكاني" ، واستكمال هذا المفهوم مع الآخرين المرتبطين به.

تخيل حدثين منفصلين: أ و ب. إذا كنت سريعًا بما يكفي ، يمكنك أن ترى كلاً من أ و ب. هذا فصل مؤقت. إذا كانت الأحداث بعيدة جدًا ، فلكي تتمكن من رؤية كليكما ، يجب أن تتحرك بسرعة الضوء ، وهذا فصل الضوء. إذا كان الحدثان A و B أبعد من ذلك ، عندما لا يمكنك رؤية كلاهما يتحرك بسرعة الضوء ، فهذا هو الفصل المكاني. هذا قليلاً من التفسير التقريبي.

كما رأينا في المخططات أعلاه ، هناك عمليتان A و B. في الواقع ، هناك ثلاث عمليات ، وهناك أيضًا عملية C. المزيد عن كل منها.

A و B هي عمليات على النظام المستهدف ، يتم تنفيذها على ذراعي مقياس التداخل. لكن C هي بالفعل قياسات نظام التحكم ، والتي تتم بعد الحدثين A و B. يجب التعرف على جميع هذه الأحداث الثلاثة من خلال التبديل الكمي.


مخطط التجربة.

الآن فكر في المخطط الذي أجريت به التجربة. كما نعلم بالفعل ، يتم تحديد qubit المتحكم عن طريق الاستقطاب ، وبالتالي هناك نوعان من فواصل الحزمة المستقطبة - PBS1 و PBS2 . يوجه PBS1 الفوتون إلى الحدث A أو B ، الذي ينفذ العمليات المقابلة A و B على الوضع المكاني للفوتون. يتم تمثيل الحدث C بقياس استقطاب يصف معلمات ستوكس * للفوتون. لضمان مطابقة الوضع ، تم استخدام العدسات ( L1 و L2 في الرسم التخطيطي).

معلمات ستوكس * - مجموعة من الكميات تصف ناقلات الاستقطاب للموجات الكهرومغناطيسية.

تم استخدام شعاع ليزر 100 كيلو هرتز بطول موجة 795 نانومتر مع وضع عرضي منخفض الترتيب (HG ₀₀ ) كمصدر للإشعاع. بعد ذلك ، تم تحويل شعاع الليزر إلى وضع HG ₁₀ Hermitian-Gaussian بتمرير الحزمة من خلال عنصر يضيف طور to إلى نصف الحزمة. والنتيجة هي وضع مكاني هو تراكب من الأنماط الهرميتية-الغوسية. علاوة على ذلك ، تم استخدام تصفية فورييه لإزالة معظم الأوضاع المكانية عالية الترتيب. وبالتالي ، تتكون مساحة البتات للنظام الهدف من أوضاع مكانية من الدرجة الأولى (| 0⟩ = | HG 10⟩؛ | 1⟩ = | HG 01⟩). والقيمة الأولية للبتة الهدف | ψ⟩t هي | 0⟩.

لذلك ، من خلال المرور عبر الفاصل الاستقطابي PBS1 ، يتم تقسيم الحزمة إلى ذراعي مقياس التداخل (الرسم البياني أعلاه). هنا ، تعمل عمليتان وحدويتان A و B في وضع مكاني مستعرض ، على الرغم من أنه في ظل الظروف المثالية يجب ألا يغيروا استقطاب الحزمة. يتم توصيل الأذرع العلوية والسفلية عند فاصل الإخراج PBS2. يتم إرسال التعديل الناتج إلى PBS1. تضمن العدسات تطابق الوضع ، أي أن الوضع الذي يعيد إدخال مقياس التداخل يجب أن يتطابق مع الوضع الأصلي.


مخطط تنفيذ العمليات A و B.

المنشور ( R ) يدور الوضع العرضي الوارد. في وقت واحد ، تؤدي العدسات الأسطوانية ( C ) إلى تحول طور π / 2 للمكونات الهرمية-الغوسية للفوتون الوارد. العدسات الكروية ( L ) مطلوبة لتحقيق مطابقة التعديل. يمكن أن تؤدي الانعكاسات في المنشور إلى تشويه الاستقطاب. من أجل التعويض عن هذه التغييرات ، يتم استخدام نصف اللوحة الموجية ( H ) ولوحة ربع الموجة ( Q ). و φ هي لوحة الطور. لتنفيذ العمليات اللازمة ، تحتاج إلى ضبط زاوية الميل θ ₁ و θ ₂ . على سبيل المثال ، لتحويل شعاع HG ₁₀ إلى HG _{01 ،} يجب أن يتم تدوير الحزمة R (θ ₁ ) بمقدار 45 درجة ، وتعيين الزاوية R (θ ₂ ) على 0.

في التجربة ، حدد العلماء مصدرين رئيسيين للأخطاء المحتملة: عدم تطابق الوضع والإعداد غير الصحيح لزوايا الميل.

ما يسمى "الشاهد السببي" ، وهي معلمة توضح قدرة الحدثين A و B على التوافق مع العمليات الوحدية A و B ، بمثابة المؤشر الرئيسي لأداء النظام. كما تم أخذ معلمات Stokes في الاعتبار لتحديد هذه المعلمة.

أظهرت النمذجة النظرية للنظام ، قبل التنفيذ العملي ، أن ⟨S⟩ في ظل الظروف المثالية ستكون مساوية تقريبًا لـ 0.248. إذا قمنا بمحاكاة النظام ، مع مراعاة معلماته الحقيقية ، عندئذٍ -0.20 ≲ ⟨S⟩ ≲ -0.14.

أظهرت التجربة العملية نتيجة جيدة: ⟨S⟩ = -0.171 ± 0.009 ، والتي تناسب النطاق المتوقع. وهكذا ، استنتج العلماء أن نظامهم يعمل في ترتيب سببي إلى أجل غير مسمى. أسس هذا الإنجاز ، يسمي الباحثون الاستقطاب ، أو بالأحرى التلاعب به ، مما جعل من الممكن تنفيذ النظام بهذه الطريقة.

للتعرف على تفاصيل التجربة ، أوصي بشدة بتقرير العلماء ، المتاح هنا .

الخاتمة

لم تمس هذه الدراسة سوى سطح بعض جوانب علم معقد ومعقد مثل ميكانيكا الكم. ومع ذلك ، بمواصلة العمل في هذا الاتجاه ، كما يقول العلماء ، سيكونون قادرين على تحقيق نتائج أكثر إثارة للإعجاب يمكن أن تغير ليس فقط تكنولوجيا الحوسبة ونقل البيانات وما إلى ذلك ، ولكن أيضًا رؤيتنا للعالم كمجموعة من قوانين العلوم الطبيعية التي يمكن أن تفقد وضعها ". غير قابل للتدمير ".

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟