أظهرت تجربة تسجيل أن الرسائل الكمومية أسرع من الكلاسيكية

أظهر الباحثون في مختبر باريس لأول مرة أن الأساليب الكمية لنقل المعلومات أفضل من الكلاسيكية

تتيح لك الاتصالات الكمومية إرسال معلومات من نوع معين باستخدام وحدات بت أقل بكثير مما هو مطلوب للاتصالات الكلاسيكية

لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية حلما ، ولكن عصر الاتصالات الكمومية قد وصل بالفعل. أظهرت تجربة جديدة في باريس لأول مرة أن الاتصالات الكمومية تفوق على الطرق التقليدية لنقل المعلومات.

وقالت هيلين ديامانتي ، وهي مهندسة كهربائية من جامعة السوربون ، ومؤلفة مشتركة للنتيجة ، إلى جانب الأردنيين كيرنيديس ، المتخصص في علوم الكمبيوتر بجامعة ديدرو: "كنا أول من أظهر ميزة كمية في مجال نقل المعلومات ، والتي يجب على الطرفين مشاركتها من أجل إنجاز مهمة مفيدة". في باريس ومع نراج كومار .

يتوقع العديد من الخبراء أن الآلات الكمومية التي تستخدم خواص الكم للمادة لترميز المعلومات ستقلب عالم الحوسبة رأسًا على عقب. لكن التقدم يسير ببطء. يعمل المهندسون بجد لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية بدائية ، وقد واجه علماء الكمبيوتر النظريون مشكلة أكثر جوهرية: لم يتمكنوا من إثبات أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا يمكنها أبدًا التعامل مع المهام التي تم تطويرها من أجلها. على سبيل المثال ، أثبت مراهق من تكساس في الصيف الماضي أن مشكلة ، كما كان يعتقد سابقًا ، لا يمكن حلها بسرعة إلا على جهاز كمبيوتر كمي ، يمكن حلها بسرعة على جهاز كلاسيكي.

ومع ذلك ، في مجال الاتصالات (بدلاً من الحوسبة) ، يتم التعرف بالفعل على مزايا النهج الكمومي. منذ أكثر من عشر سنوات ، أثبت أحد علماء الكمبيوتر ، من الناحية النظرية على الأقل ، أن الاتصالات الكمومية تسبق الطرائق التقليدية لإرسال الرسائل في إطار مهام معينة.

بالنسبة للجزء الأكبر ، نظر الناس في المشاكل الحسابية. وقال كيرنيديس: "الميزة الكبيرة للاتصالات هي أنه يمكنك إثبات الفوائد".

في عام 2004 ، تخيل كيرينديس واثنان من المتخصصين الآخرين في علوم الكمبيوتر مهمة يحتاج فيها شخص إلى إرسال معلومات إلى شخص آخر حتى يتمكن الثاني من الإجابة عن سؤال محدد. لقد أثبت الباحثون أن الإعداد الكمي يمكن أن يحل هذه المشكلة عن طريق إرسال كمية أقل من المعلومات أضعافا مضاعفة مما في الحالة التقليدية. لكن التثبيت الذي اخترعوه كان نظريًا بحتًا ولا يمكن الوصول إليه لتكنولوجيا ذلك الوقت.

وقال كيرنيديس: "يمكننا إثبات ميزة كمية ، لكن كان من الصعب للغاية تنفيذ بروتوكول الكم".




هيلين والرجال: أنشأ ديامانتي وكيرينديس وكومار نظامًا لنقل المعلومات الكمومية ، يمكن إثبات تفوقه على أي نظام كلاسيكي.

ينفذ العمل الجديد نسخة معدلة من السيناريو الذي تصوره كيرنيديس وزملاؤه. يعتبر اثنان من المستخدمين في العمل ، أليس وبوب. أليس لديها مجموعة من الكرات المرقمة. كل كرة لها لون عشوائي ، أحمر أو أزرق. يريد Bob معرفة ما إذا كان زوج معين من الكرات المحددة عشوائيًا سيكون له نفس اللون أو لون مختلف. يريد Alice إرسال Bob إلى أقل قدر ممكن من المعلومات ، مع ضمان إجابة سؤال Bob.

تسمى هذه المهمة "مشكلة مطابقة العينة". يتضمن الحل الخاص به تأثيرات على مجالات التشفير والعملات الرقمية ، حيث يحتاج المستخدمون غالبًا إلى تبادل المعلومات دون الحاجة إلى تقديم كل ما لديهم. كما أنها مناسبة تمامًا لإظهار فوائد الاتصالات الكمومية.

وقال توماس ويديك ، المتخصص في تكنولوجيا المعلومات بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "لا يمكنك أن تقول فقط ،" أريد أن أرسل لك فيلمًا ، أو شيئًا آخر بحجم الجيجابايت ، وقم بترميزه في حالة كمية "ونتوقع نوعًا من المزايا الكمية". "نحن بحاجة إلى البحث عن مهام أكثر دقة."

لحل مشكلة المراسلات بشكل كلاسيكي ، يتعين على Alice إرسال معلومات إلى Bob الذي يتناسب حجمه مع الجذر التربيعي لعدد الكرات. لكن الطبيعة غير العادية للمعلومات الكمومية توفر حلاً أكثر كفاءة.



في الإعداد المعملي المستخدم في العمل الجديد ، تتواصل أليس وبوب باستخدام نبضات الليزر. كل دفعة تمثل كرة واحدة. تمر النبضات عبر حزمة موجية ، ترسل نصف كل نبضة إلى أليس ، والنصف الآخر إلى بوب. عندما يمر الدافع أليس ، فإنها يمكن أن تحول مرحلته لتشفير معلومات حول كل كرة - زرقاء أو حمراء.

وفي الوقت نفسه ، يقوم بوب بترميز معلومات حول أزواج من الكرات التي تهمه بنصف نبضه الخاص. ثم تلتقي النبضات في حزمة موجية أخرى ، تتداخل مع بعضها البعض. تعكس نتيجة تداخلها الاختلافات في تحول المرحلة لكل من النبضات. يستطيع بوب بعد ذلك فحص نمط التداخل باستخدام كاشفات الفوتون.

حتى يقرأ بوب رسالة الليزر الخاصة بـ Alice ، يمكن للرسالة الكمّية Alice الإجابة على أي سؤال حول أي زوج. لكن القراءة تدمر الرسالة وتعطي معلومات عن زوج واحد فقط من الكرات.

هذه الخاصية المميزة للمعلومات الكمومية - التي يمكن قراءتها بطرق عديدة ، ولكنها تنجح حقًا فقط - تقلل بشكل كبير من كمية المعلومات التي يجب إرسالها لحل مشكلة مطابقة العينة. إذا احتجت Alice إلى إرسال Bob 100 بت كلاسيكية لضمان إجابة لسؤالك ، فيمكنها تحقيق نفس النتيجة بعشرة بتات أو بتات كمية.

وقال جراهام سميث ، عالم الفيزياء في المعهد المشترك للفيزياء الفلكية في مختبر بولدر ، جهاز الكمبيوتر: "هذه واحدة من تلك النتائج التي تثبت أن الفكرة تعمل من أجلك للحصول على شبكة كمية حقيقية". كولورادو العمل مع التكنولوجيا الكم.

هذه التجربة الجديدة تمثل انتصارا بحتا على الطرق الكلاسيكية. أجرى الباحثون ذلك ، مع العلم بالضبط مقدار المعلومات التي ينبغي نقلها بشكل كلاسيكي لحل المشكلة. ثم أثبتوا بلا جدال أنه يمكن القيام بها بطريقة اقتصادية باستخدام الوسائل الكمومية. وقال سميث "هذا العمل جيد لأنه يوضح كيف يحاول الناس إثبات أن مهمتهم يصعب القيام بها بشكل كلاسيكي ومن ثم القيام بها" ، وذلك باستخدام الأساليب الكمية.

تشير النتيجة أيضًا إلى وجود طرق بديلة لتحقيق الهدف الطويل الأمد لعلوم الكمبيوتر: إثبات مزايا أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الأجهزة الكلاسيكية. كان من الصعب إثبات هذا "التفوق" الكمومي في مجال حسابي بحت ، لكن العديد من المشكلات المهمة لا تعتمد فقط على الحوسبة.

"من خلال الجمع بين ما يمكننا القيام به مع قدرات الحوسبة والرسائل ، وربط هذين المجالين ، سيكون من الأسهل بالنسبة لنا لإثبات وجود ميزة الكم" ، وقال Kerenidis.