نحن جميعًا على دراية بالأبطال الخارقين المختلفين وقدراتهم الفريدة ، سواء أحببنا ذلك أم لا. لذلك ، فإن مسألة نوع القوة العظمى التي ترغب في امتلاكها ليست نادرة للغاية. شخص ما يريد أن يكون قوياً بشكل لا يصدق ، مثل الهيكل ، شخص ما - سريع ، مثل فلاش ، وشخص ما لن يتخلى عن قوى باتمان العظمى - أموال. لكن أولئك الذين كانوا مرة واحدة على الأقل في ازدحام مروري من المريخ إلى كوكب الزهرة سيعطون كل شيء لفرصة النقل الفضائي. يبدو مفهوم النقل عن بعد مثيرًا للغاية من وجهة نظر الخيال العلمي ، ولكن في الواقع توجد هذه القوة العظمى أيضًا ، ولكن بعيدًا عن الناس الموهوبين بها. سنلتقي بكم اليوم دراسة تمكن فيها علماء من جامعة يوكوهاما (اليابان) من نقل المعلومات داخل الماس. كيف فعل العلماء ذلك ، وكيف جانبية فيزياء الكم ، وماذا يعني هذا بالنسبة لمستقبل تقنيات تخزين البيانات؟ الإجابات تنتظرنا في تقرير للعلماء. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن الاسم الكامل للظاهرة قيد المناقشة هو النقل عن بعد الكم. مبدأ هذه العملية أمر حاسم لتكنولوجيا المعلومات الكمومية. على سبيل المثال ، لتنفيذ الاتصال الكمي ، هناك حاجة إلى مكررات الكم التي تنقل qubit (بت الكم) إلى العقدة البعيدة دون الكشف عن حالة هذا الكوبت نفسه. بالنسبة للإجراءات الحسابية ، سيساعد النقل عن بُعد على تنفيذ النقل الآمن لبيانات المدخلات والمخرجات من خلال الاتصالات الكمومية للحوسبة العمياء الكمومية.
يتمثل الجانب الأكثر أهمية في النقل الكمي عن بُعد في نقل المعلومات الكمومية إلى حيز يتعذر الوصول إليه ، وهو أمر متوقع تمامًا ، وكذلك نقل معلومات الفوتون إلى الذاكرة الكمومية دون الكشف عن معلومات الكم المخزنة أو إتلافها.
في هذا العمل ، يُظهر العلماء خطة عمل لنقل الحالة الكمية لاستقطاب الفوتون إلى الدوران النووي لنظير كربون مرتبط
بمركز NV * الخاص بالماس.
NV-centre * هو وظيفة شاغرة بديلة للنيتروجين في الماس ، أي عيب في الماس عندما ينتهك هيكل شبكته الكريستالية بسبب إزالة ذرة الكربون من موقع الشبكة وملزمة الشغور لذرة النيتروجين.
يتم أولاً تدور دوران الكربون مع دوران الإلكترون ، والذي يُسمح بعد ذلك بامتصاص الفوتون في حالته الخاصة ، ويرتبط بالتفاعل بين مدار الدوران. يسمح اكتشاف الإلكترون بعد الاسترخاء في الحالة الدورانية للدوران بالانتقال بعد انتقائي لاستقطاب تعسفي للفوتون إلى ذاكرة الكربون.
يسمح مخطط نقل الحالة الكمومية بتطبيق أجهزة تخزين الكم على كل من أجهزة التكرار الكمومية القابلة للتكرار (أجهزة التكرار) للاتصال البعيد المدى مع الأنظمة الكمية وللحوسبة الكمية الموزعة.
في هذا العمل ، تمكن العلماء من بدء ومعالجة تدور الكربون النووي بنجاح من خلال النيتروجين باعتباره مغنطيسًا نانويًا لإزالة انحطاط الإلكترون ، مع الحفاظ على مجال مغناطيسي صفري في الدوران النووي للكربون. فيما يلي عملية نقل حالة استقطاب الفوتونات إلى حالة الدوران الكمومية ، أي الانتقال عن بُعد. تم التحقق من كل هذا بنجاح من خلال التجارب والملاحظات العملية ، التي سنتعرف على نتائجها بعد ذلك بقليل ، لأن الباحثين يريدون أولاً أن يشرحوا لنا مبدأ تكنولوجيا الإعجاز الخاصة بهم.
مبدأ العمل
أساس الانتقال عن بعد الكم هو إعداد التشابك والقياسات في الأساس الجرس ، مما يؤدي إلى النقل الانتقائي للحالة الكمومية (
1 أ ).
الصورة رقم 1في البداية ، يتم إعداد التشابك بين تدور الإلكترون وتدور الكربون النووي. ثم ، يُقاس استقطاب الفوتونات بتدوير الإلكترونات على أساس الجرس بامتصاص الفوتونات من أجل نقل حالة استقطاب الفوتونات إلى حالة دوران الكربون (
1 ب ،
1 ج ).
في البروتوكول العملي لنظام أحادي الاتجاه من مكررات الكم مع مركز NV في كل عقدة ، ينبعث الفوتون من عقدة واحدة ، مما يترك الإلكترون متشابكا مع هذا الفوتون (
1d ). يؤسس نجاح تخزين الفوتونات في عقدة أخرى التشابك بين العقدتين المتجاورتين.
يتكون مركز NV المشحون سالبًا في الماس من مزيج من النيتروجين (
14 N) وشغور مجاور (
V ) ، حيث يتم ترجمة الإلكترون (
e ) في الحالة الثلاثية (
1b ). تمتلك نواة الإلكترون والنيتروجين خاصية الدوران 1 ، التي تشكل نظامًا من ثلاثة مستويات من النوع V له حالتان من الانحطاط
m s ، I = ± 1 (يُشار إليه بـ | ± 1⟩
e ، N ) ، والتي تشكل qubit منطقي ، والحالة
m s ، I = 0 (يُشار إليها بـ | 0⟩
e ، N ) ، وهي عبارة عن مساعدة إضافية. ثم ، يحدث انقسام في المجال الصفري (حوالي 2.87 جيجاهرتز) لتقسيم الإلكترون والرباعي النووي (حوالي 4.95 ميغاهيرتز) للنيتروجين.
من ناحية أخرى ، فإن الدوران النووي للكربون (
13 درجة مئوية) ، المرتبط بشكل ضعيف بالإلكترون من خلال تفاعل مفرط الدقة (0.9 ميجا هرتز في هذا العمل) ، يُظهر خاصية الدوران 1/2 ، والتي تشكل نظامًا ذا مستويين مع حالتين من الانحطاط
m I = states 1/2 ولاية (يُشار إليه بـ | ↑⟩
، | ↓⟩
) في مجال مغناطيسي صفري (
1c ).
لتحضير تشابك الدوران بين الإلكترونات وتدور ذرات الكربون ، تتم تهيئتها لأول مرة في | 0⟩
e ، | ↓⟩
. على الرغم من صعوبة تهيئة دوران الكربون النووي في مجال مغناطيسي صفري ، فإن تقسيم رباعي النيتروجين النووي رباعي النيتروجين النووي باستخدام تدور الإلكترون المستقطب يمكّن من الاستقطاب عند | + 1⟩
N ، والذي يستخدم كمغناطيس نانوي لتطبيق مجال مغناطيسي محلي على إلكترون للتهيئة تدور الكربون النووي (
1C ).
الصورة رقم 2بعد ذلك ، تم استخدام الضوء الأحمر لتنفيذ
CPT * (اصطياد السكان المترابط) ، والذي يثير إلكترونًا بشكل صدى في egenstate المرتبط بالدوران | 2⟩ = 1 / √2 (| +1 ، -1⟩
l ، e + | -1 ، + 1⟩
l ، e (l و
e تشير إلى الزاوي الزاوي المداري والملفوف للإلكترون) ، عندما يستقطب الاستقطاب الدائري الأيمن | + 1⟩
p أولاً الإلكترون في | + 1⟩
e ، ثم يدور النيتروجين النووي في | + 1⟩
N ( خط الأرجواني على
2A ).
CPT * هي ظاهرة عندما "تتعثر" مجموعة من الذرات بشكل متماسك في حالة مظلمة (لا تستطيع الذرة أو الجزيء امتصاص الفوتونات).
وبالتالي ، تتم إزالة انحطاط تدور الإلكترون بسبب تفاعل مفرط الدقة مع النيتروجين ، مما يساهم في الانتقال الانتقائي لتدور نواة الكربون من | ↓⟩
C إلى | ↑⟩
C (الخط الأخضر عند
2 أ ). يوضح الشكل
2 ب عمليات تهيئة الدوران النووي للنيتروجين والكربون.
تتم تهيئة الإلكترون مرة أخرى إلى | 0⟩
e مع ضوء أحمر ، وحالة الرنانة | A l⟩. ثم تتم معالجة الإلكترون والكربون باستخدام إشعاع الموجات الصغرية وموجة راديوية لإنشاء تشابك بينهما في |
+ ⟩
e ، C = 1 / √2 (| + 1 ، ↑⟩
e ، C + | -1 ،⟩⟩
e ، C ، وهو واحد من الولايات الأربع لبيل ، يوضح الشكل
2 ج مخططًا كميًا للعملية بأكملها.
علاوة على ذلك ، يُسمح للإلكترون بامتصاص الفوتون الوارد باستقطاب تعسفي ، وهو ما يُثير الإلكترون في حالة التوليد الذاتي المدارية الأخرى. يُظهر امتصاص الفوتون حالة استقطاب الفوتون وحالة دوران الإلكترون في إحدى حالات الجرس. يتم التعبير عن إسقاط الحالة المُعدة ، والذي يتكون من استقطاب تعسفي للفوتونات وحالة متشابكة من الكربون الإلكتروني ، على النحو التالي:
نتيجة لذلك ، نحصل على حالة استقطاب الفوتون مع التشغيل الوحدوي الإضافي σ
y .
تنفيذ النقل الفضائي التجريبي
والآن يمكنك الانتقال من الكلمات (أو بالأحرى الصيغ) إلى العمل. بادئ ذي بدء ، تم قياس ارتباط الطور بين فوتون الإدخال والكربون المنقول ، مما يدل على الحفاظ على التماسك الكمومي في عملية النقل.
الصورة رقم 3يوضح الشكل
3 أ اعتماد استقطاب الفوتون على عدد سكان ذرات الكربون النووية ، المقاسة على طول المحور | +⟩
C - | -⟩
C. تم الحصول على هذه البيانات عن طريق قياس عدد الفوتونات بعد تطبيق موجة الراديو وإشعاع الميكروويف ، تليها الضوء الأحمر صدى مع الدولة | E x⟩. كما افترض العلماء ، لوحظ وجود علاقة قوية بين الطور المضاد ، مما يشير إلى الطبيعة الكمومية للنقل.
ثم قرر الباحثون التحقق من صحة العملية الكمية أثناء نقل الحالة من خلال تطبيق ست حالات أساسية لاستقطاب الفوتون (
3b ) ، وبعد ذلك قاموا بتقييم حالة دوران الكربون النووي بعد النقل بناءً على التصوير المقطعي للحالة الكمية. تُظهر الصورة
3 ب ناقلات بلوخ لحالات الدوران النووي للكربون المنقولة من ستة استقطابات فوتون.
الإخلاص * - في المعلوماتية الكمومية ، يعد هذا مقياسًا لقرب حالتين الكم. إنه يعبر عن احتمال اجتياز أحد الشروط للاختبار ، والذي يعرفه بأنه الثاني.
وصلت الدقة في المتوسط 78 ± 2 ٪ ، وهو ما يتجاوز الحد الكلاسيكي البالغ 67 ٪ (
3D ). جعلت متجهات Bloch من الممكن تقدير قناة نقل الكم ، كما هو موضح
بالأبعاد الثلاثية . كانت دقة عملية النقل 76 ٪. يشير هذا إلى أن قناة النقل تدعم التماسك الكمومي.
يرتبط انخفاض الدقة في نقل الحالة الكمية بعدة عوامل: النقص في قياسات حالة التشابك وحالة الجرس ، والذي ينتج عن التهيئة غير الكاملة لللفيات (
3f ) ؛ خلط الحالات المدارية متحمس بسبب تشوه الكريستال (
3G ) ؛ دوران المرحلة عند قياس حالة الجرس ؛ أخطاء مصراع.
يمكن تحسين دقة التهيئة بتكرار تسلسل التهيئة ، ويمكن تعويض تأثير تشوه البلورة عن طريق تحديد e
x و e
y ، وهما مكونان
x و
y من التشوه. يمكن تجنب دوران الطور من خلال تهيئة دوران النيتروجين النووي عند درجة حرارة
° 0⟩N قبل النقل.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
يقول الباحثون أنفسهم إن أسلوبهم لا يزال في مراحله الأولى ، كما يتضح من النقل الناجح لحالة الاستقطاب لفوتون واحد فقط ، بينما تحتوي نبضة واحدة (200 نانومتر ، 20 نانوثانية) على حوالي 10
4 فوتونات. وبالتالي ، فإن احتمال نقل اثنين منهم على الأقل هو 2.5 ٪. هذا ليس صغيراً من الناحية الفلكية ، لكن بالنسبة للتباهي والتفاخر ، لا يزال غير كافٍ ، والعلماء يفهمون ذلك. في المستقبل ، يعتزمون مواصلة تحسين بناتهم. إنهم على يقين من أن عملهم سيكون مفيدًا للغاية في تنفيذ التقنيات التي يتوقعها الكثيرون مثل الحوسبة الكمومية ، والاتصال الكمومي ، ومستودعات البيانات الكمومية. بغض النظر عن المدة التي تستغرقها عملية إنشاء جميع التقنيات المذكورة أعلاه ، فإن هذا سيحدث بالتأكيد قبل إصدار Portal 3 (آسف ، لم أستطع المقاومة).
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟