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 أفضل كفاءة لتجميع الشعاع. QWP - قسم مرحلة ربع الموجة؛ HWP - قسم طور نصف الموجة؛ PBS - مقسم شعاع الاستقطاب.

ومقارنة بالطرق 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.

النقل الآني الكمي هو نقل الحالة الكمومية عبر مسافة. ومن الصعب شرح ذلك بشكل منفصل؛ ولا يمكن القيام بذلك إلا بالاقتران مع جميع فيزياء الكم. وفي محاضرته التي ألقاها ضمن “محاضرة 2035” في VDNH، حاول ألكسندر لفوفسكي، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة كالجاري (كندا)، وعضو المعهد الكندي للدراسات العليا، التحدث بطريقة بسيطة لغة حول مبادئ النقل الآني الكمي والتشفير الكمي. Lenta.ru ينشر مقتطفات من خطابه.

مفتاح القفل

التشفير هو فن التواصل بطريقة آمنة عبر قناة غير آمنة. أي أن لديك خطًا معينًا يمكن النقر عليه، وتحتاج إلى إرسال رسالة سرية فوقه لا يستطيع أي شخص آخر قراءتها.

لنتخيل أنه، على سبيل المثال، إذا كان لدى أليس وبوب ما يسمى بالمفتاح السري، أي تسلسل سري من الأصفار والآحاد التي لا يمتلكها أي شخص آخر، فيمكنهما تشفير رسالة باستخدام هذا المفتاح باستخدام عملية OR حصرية بحيث يكون الصفر يتطابق مع صفر، وواحد مع واحد. يمكن بالفعل إرسال مثل هذه الرسالة المشفرة عبر قناة مفتوحة. إذا اعترضه شخص ما، فهذا ليس مشكلة كبيرة، لأنه لا أحد يستطيع قراءته باستثناء بوب، الذي لديه نسخة من المفتاح السري.

في أي تشفير، في أي اتصال، فإن المورد الأكثر تكلفة هو تسلسل عشوائي من الأصفار والواحد، والذي يملكه فقط شخصان يتواصلان. ولكن في معظم الحالات، يتم استخدام تشفير المفتاح العام. لنفترض أنك اشتريت شيئًا ما ببطاقة ائتمان من متجر عبر الإنترنت باستخدام بروتوكول HTTPS الآمن. من خلاله، يتحدث جهاز الكمبيوتر الخاص بك إلى خادم لم يسبق له الاتصال به من قبل، ولم تتح له الفرصة لتبادل المفتاح السري مع هذا الخادم.

يتم ضمان سر هذا الحوار من خلال حل مشكلة رياضية معقدة، على وجه الخصوص، التحليل. من السهل ضرب رقمين أوليين، ولكن إذا كان حاصل ضربهما معطى بالفعل، فمن الصعب العثور على عاملين. إذا كان الرقم كبيرا بما فيه الكفاية، فسوف يتطلب الأمر جهاز كمبيوتر تقليدي لحسابه لسنوات عديدة.

ومع ذلك، إذا لم يكن هذا الكمبيوتر عاديًا، بل كميًا، فإنه سيحل مثل هذه المشكلة بسهولة. عندما يتم اختراعها أخيرًا، ستصبح الطريقة المستخدمة على نطاق واسع عديمة الفائدة، ومن المتوقع أن تكون لها عواقب وخيمة على المجتمع.

إذا كنت تتذكر، في كتاب هاري بوتر الأول، كان على الشخصية الرئيسية أن تمر عبر الأمن للوصول إلى حجر الفيلسوف. وإليكم شيئًا مشابهًا: الشخص الذي قام بتثبيت الحماية سوف يجتازها بسهولة. واجه هاري وقتًا عصيبًا للغاية، لكنه تغلب عليه في النهاية.

يوضح هذا المثال تشفير المفتاح العام بشكل جيد للغاية. يمكن لأي شخص لا يعرف ذلك، من حيث المبدأ، أن يكون قادرًا على فك تشفير الرسائل، لكن الأمر سيكون صعبًا للغاية بالنسبة له ومن المحتمل أن يستغرق سنوات عديدة. لا يوفر تشفير المفتاح العام الأمان المطلق.

التشفير الكمي

كل هذا يفسر الحاجة إلى التشفير الكمي. إنها تعطينا أفضل ما في العالمين. هناك طريقة لوحة لمرة واحدة، وهي طريقة موثوقة، ولكنها، من ناحية أخرى، تتطلب مفتاحًا سريًا "باهظ الثمن". لكي تتواصل أليس مع بوب، يجب عليها أن ترسل له ساعيًا بحقيبة مليئة بالأقراص التي تحتوي على هذه المفاتيح. سوف يستخدمها تدريجيًا، حيث لا يمكن استخدام كل واحدة منها إلا مرة واحدة. ومن ناحية أخرى، لدينا طريقة المفتاح العام، وهي طريقة "رخيصة" ولكنها لا توفر موثوقية مطلقة.

الصورة: متحف العلوم / Globallookpress.com

التشفير الكمي، من ناحية، "رخيص"؛ فهو يسمح بالنقل الآمن للمفتاح عبر قناة يمكن اختراقها، ومن ناحية أخرى، فهو يضمن السرية بفضل القوانين الأساسية للفيزياء. معناها هو تشفير المعلومات في الحالة الكمومية للفوتونات الفردية.

وفقًا لمسلمات فيزياء الكم، فإن الحالة الكمومية في اللحظة التي تتم فيها محاولة قياسها يتم تدميرها وتغييرها. وبالتالي، إذا كان هناك جاسوس على الخط بين أليس وبوب، يحاول التنصت أو التجسس، فإنه سيغير حتما حالة الفوتونات، وسيلاحظ المتصلون أنه يتم التنصت على الخط، ويوقفون الاتصال ويتخذون الإجراء.

على عكس العديد من التقنيات الكمومية الأخرى، يعد التشفير الكمي تجاريًا وليس خيالًا علميًا. توجد بالفعل شركات تنتج خوادم تتصل بخط ألياف بصرية عادي، يمكنك من خلالها إجراء اتصال آمن.

كيف يعمل مقسم شعاع الاستقطاب؟

الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مستعرضة، لا تتأرجح على طول، بل عبر. تسمى هذه الخاصية بالاستقطاب، وهي موجودة حتى في الفوتونات الفردية. يمكن استخدامها لتشفير المعلومات. على سبيل المثال، الفوتون الأفقي هو صفر، والفوتون الرأسي هو واحد (وينطبق الشيء نفسه على الفوتونات ذات الاستقطاب موجب 45 درجة وسالب 45 درجة).

لقد قامت أليس بتشفير المعلومات بهذه الطريقة، ويحتاج بوب إلى قبولها. للقيام بذلك، يتم استخدام جهاز خاص - مقسم شعاع الاستقطاب، مكعب يتكون من منشورين ملتصقين ببعضهما البعض. فهو ينقل التدفق المستقطب أفقيًا ويعكس التدفق المستقطب عموديًا، مما يؤدي إلى فك تشفير المعلومات. إذا كان الفوتون الأفقي يساوي صفرًا والفوتون الرأسي واحدًا، ففي حالة الصفر المنطقي، سينقر كاشف واحد، وفي حالة أحدهما سينقر الآخر.

ولكن ماذا يحدث إذا أرسلنا فوتونًا قطريًا؟ ثم تبدأ العشوائية الكمومية الشهيرة في لعب دور. من المستحيل تحديد ما إذا كان مثل هذا الفوتون سوف يمر أو ينعكس، مع وجود احتمال بنسبة 50 بالمائة أنه سيفعل أحدهما أو الآخر. من المستحيل من حيث المبدأ التنبؤ بسلوكه. علاوة على ذلك، فإن هذه الخاصية هي الأساس لمولدات الأرقام العشوائية التجارية.

ماذا يجب أن نفعل إذا كانت لدينا مهمة التمييز بين الاستقطابات التي تبلغ موجب ٤٥ درجة وسالب ٤٥ درجة؟ تحتاج إلى تدوير مقسم الشعاع حول محور الشعاع. عندها سينطبق قانون العشوائية الكمومية على الفوتونات ذات الاستقطاب الأفقي والرأسي. هذه الخاصية أساسية. لا يمكننا أن نسأل سؤالاً عن استقطاب هذا الفوتون.

الصورة: متحف العلوم / Globallookpress.com

مبدأ التشفير الكمي

ما هي الفكرة وراء التشفير الكمي؟ لنفترض أن أليس أرسلت لبوب فوتونًا، والذي قامت بتشفيره إما أفقيًا أو رأسيًا أو قطريًا. يقلب بوب أيضًا العملة المعدنية، ويقرر بشكل عشوائي ما إذا كان أساسه سيكون أفقيًا أو رأسيًا أو قطريًا. إذا كانت أساليب التشفير الخاصة بهم متطابقة، فسوف يتلقى بوب البيانات التي أرسلتها أليس، ولكن إذا لم يكن الأمر كذلك، فهذا نوع من الهراء. إنهم ينفذون هذه العملية عدة آلاف من المرات، ثم "يتصلون ببعضهم البعض" عبر قناة مفتوحة ويبلغون بعضهم البعض على أي أساس قاموا بالتحويل - يمكننا أن نفترض أن هذه المعلومات متاحة الآن لأي شخص. بعد ذلك، سيتمكن بوب وأليس من التخلص من الأحداث التي كانت فيها القواعد مختلفة، وترك الأحداث التي كانت فيها هي نفسها (سيكون هناك حوالي نصفها).

لنفترض أن أحد الجاسوسين قد اقتحم الخط وأراد التنصت على الرسائل، لكنه يحتاج أيضًا إلى قياس المعلومات على أساس ما. دعونا نتخيل أنه تزامن مع أليس وبوب، ولكن ليس بالنسبة للجاسوس. في الحالة التي يتم فيها إرسال البيانات على أساس أفقي ورأسي، ويقوم المتنصت بقياس الإرسال على أساس قطري، فسوف يتلقى قيمة عشوائية ويرسل بعض الفوتون التعسفي إلى بوب، لأنه لا يعرف ما ينبغي أن يكون. بهذه الطريقة سيتم ملاحظة تدخله.

أكبر مشكلة في التشفير الكمي هي الخسارة. حتى أفضل وأحدث الألياف الضوئية تنتج خسائر بنسبة 50 بالمائة لكل 10-12 كيلومترًا من الكابلات. لنفترض أننا أرسلنا مفتاحنا السري من موسكو إلى سانت بطرسبرغ - 750 كيلومترًا، وسيصل فوتون واحد فقط من مليار مليار فوتون إلى الهدف. كل هذا يجعل التكنولوجيا غير عملية على الإطلاق. وهذا هو السبب في أن التشفير الكمي الحديث لا يعمل إلا على مسافة حوالي 100 كيلومتر. من الناحية النظرية، من المعروف كيفية حل هذه المشكلة - بمساعدة مكررات الكم، لكن تنفيذها يتطلب النقل الآني الكمي.

الصورة: بيري ماستروفيتو / Globallookpress.com

التشابك الكمي

التعريف العلمي للتشابك الكمي هو حالة تراكب غير موضعية. يبدو الأمر معقدا، ولكن يمكن إعطاء مثال بسيط. لنفترض أن لدينا فوتونين: أفقي ورأسي، وحالاتهما الكمومية مترابطة. نرسل أحدهما إلى أليس والآخر إلى بوب، الذي يقوم بإجراء القياسات على مقسم شعاع الاستقطاب.

عندما يتم إجراء هذه القياسات على الأساس الأفقي الرأسي المعتاد، فمن الواضح أن النتيجة ستكون مترابطة. إذا لاحظت أليس فوتونًا أفقيًا، فمن الطبيعي أن يكون الفوتون الثاني رأسيًا، والعكس صحيح. يمكن تخيل ذلك بكل بساطة: لدينا كرة زرقاء وكرة حمراء، دون النظر، نختم كل منهما في مظروف ونرسلها إلى اثنين من المستلمين - إذا تلقى أحدهما كرة حمراء، فسيحصل الثاني بالتأكيد على كرة زرقاء.

لكن في حالة التشابك الكمي، فإن الأمر لا يتوقف عند هذا الحد. ولا يحدث هذا الارتباط على الأساس الأفقي الرأسي فحسب، بل أيضًا على أي أساس آخر. على سبيل المثال، إذا قام أليس وبوب بتدوير مقسمات الشعاع في الوقت نفسه بمقدار 45 درجة، فسيكون لديهما تطابق مثالي مرة أخرى.

وهذه ظاهرة كمومية غريبة للغاية. لنفترض أن أليس قامت بطريقة ما بتدوير مقسم الأشعة الخاص بها واكتشفت بعض الفوتون ذي الاستقطاب α الذي يمر عبره. إذا قام بوب بقياس فوتونه على نفس الأساس، فسيجد استقطابًا قدره 90 درجة +α.

إذًا في البداية لدينا حالة من التشابك: فوتون أليس غير مؤكد تمامًا، وفوتون بوب غير مؤكد تمامًا. عندما قامت أليس بقياس فوتونها ووجدت بعض القيمة، أصبح من المعروف الآن بالضبط ما هو الفوتون الذي يمتلكه بوب، بغض النظر عن مدى بعده. وقد تم تأكيد هذا التأثير مراراً وتكراراً من خلال التجارب، وهو ليس خيالاً.

النقل الآني الكمي

لنفترض أن أليس لديها فوتون معين ذو استقطاب α، وهو ما لا تعرفه بعد، أي أنه في حالة غير معروفة. لا توجد قناة مباشرة بينها وبين بوب. إذا كانت هناك قناة، فستتمكن أليس من تسجيل حالة الفوتون ونقل هذه المعلومات إلى بوب. لكن من المستحيل معرفة الحالة الكمومية بقياس واحد، لذا فإن هذه الطريقة غير مناسبة. ومع ذلك، يوجد بين أليس وبوب زوج من الفوتونات المتشابكة مرتبة مسبقًا. ونتيجة لذلك، من الممكن إجبار فوتون بوب على قبول الحالة الأولية لفوتون أليس، ثم "الاتصال" عبر خط هاتف تقليدي.

إليكم نموذجًا كلاسيكيًا (وإن كان نظيرًا بعيدًا جدًا) لكل هذا. يتلقى كل من أليس وبوب كرة في مظروف - أزرق أو أحمر. تريد أليس إرسال معلومات إلى بوب حول ماهيتها. للقيام بذلك، تحتاج إلى "الاتصال" ببوب ومقارنة الكرات، وإخباره "لدي نفس الكرات" أو "لدينا كرات مختلفة". إذا سمع شخص ما هذا الخط، فلن يساعده في معرفة لونه.

كيف يعمل هذا كله؟ لدينا حالة متشابكة وفوتون نريد نقله فوريًا. يجب على أليس إجراء قياس مناسب للفوتون الأصلي المنقول آنيًا والسؤال عن الحالة التي يوجد بها الفوتون الآخر. تتلقى بشكل عشوائي إحدى الإجابات الأربعة المحتملة. نتيجة لتأثير الطهي عن بعد، اتضح أنه بعد هذا القياس، اعتمادًا على النتيجة، دخل فوتون بوب إلى حالة معينة. قبل ذلك، كان متشابكًا مع فوتون أليس، وبقي في حالة غير محددة.

تخبر أليس بوب عبر الهاتف بنتيجة قياساتها. إذا كانت نتيجتها، على سبيل المثال، هي ψ-، فإن بوب يعلم أن فوتونه قد تحول تلقائيًا إلى هذه الحالة. إذا ذكرت أليس أن قياسها أعطى النتيجة ψ+، فإن فوتون بوب يفترض الاستقطاب -α. في نهاية تجربة النقل الآني، ينتهي الأمر ببوب بالحصول على نسخة من فوتون أليس الأصلي، ويتم تدمير فوتونها والمعلومات المتعلقة به في هذه العملية.

تكنولوجيا النقل الآني

يمكننا الآن نقل استقطاب الفوتونات وبعض حالات الذرات. لكن عندما يكتبون أن العلماء تعلموا نقل الذرات آنيًا، فهذا كذب، لأن الذرات لديها الكثير من الحالات الكمومية، وهو عدد لا نهائي. في أحسن الأحوال، اكتشفنا كيفية نقل اثنين منهم فوريًا.

سؤالي المفضل هو متى سيحدث النقل الآني البشري؟ الجواب أبدا. لنفترض أن لدينا الكابتن بيكارد من ستار تريك الذي يحتاج إلى النقل الفوري إلى سطح الكوكب من السفينة. للقيام بذلك، كما نعلم بالفعل، نحتاج إلى إنشاء زوجين آخرين من نفس Picards، وإحضارهم إلى حالة متشابكة، والتي تشمل جميع حالاتها المحتملة (الرصين، والسكر، والنوم، والتدخين - كل شيء على الإطلاق) وإجراء قياسات عليها كلاهما. من الواضح مدى صعوبة هذا الأمر وعدم واقعيته.

يعد النقل الآني الكمي ظاهرة مثيرة للاهتمام ولكنها مختبرية. لن يقتصر الأمر على النقل الآني للكائنات الحية (على الأقل في المستقبل القريب). ومع ذلك، يمكن استخدامه عمليًا لإنشاء مكررات كمومية لنقل المعلومات عبر مسافات طويلة.

ما هو التشابك الكمي بكلمات بسيطة؟ النقل الآني - هل هذا ممكن؟ هل تم إثبات إمكانية النقل الآني تجريبيا؟ ما هو كابوس أينشتاين؟ في هذه المقالة سوف تحصل على إجابات لهذه الأسئلة.

غالبًا ما نواجه النقل الآني في أفلام وكتب الخيال العلمي. هل سبق لك أن تساءلت لماذا يصبح ما توصل إليه الكتاب حقيقة واقعة في نهاية المطاف؟ كيف تمكنوا من التنبؤ بالمستقبل؟ أعتقد أن هذا ليس حادثا. غالبًا ما يتمتع كتاب الخيال العلمي بمعرفة واسعة بالفيزياء والعلوم الأخرى، والتي تساعدهم، جنبًا إلى جنب مع حدسهم وخيالهم الاستثنائي، على بناء تحليل استرجاعي للماضي ومحاكاة الأحداث المستقبلية.

من المقال سوف تتعلم:

• ما هو التشابك الكمي؟

مفهوم "التشابك الكمي"نشأت من افتراض نظري ناشئ عن معادلات ميكانيكا الكم. وهذا يعني ما يلي: إذا تبين أن جسيمين كميين (يمكن أن يكونا إلكترونات أو فوتونات) مترابطان (متشابكان)، فسيظل الاتصال قائمًا، حتى لو تم فصلهما إلى أجزاء مختلفة من الكون.

إن اكتشاف التشابك الكمي يساعد إلى حد ما في تفسير الإمكانية النظرية للانتقال الآني.

باختصار إذن يلفيُطلق على الجسيم الكمي (الإلكترون، الفوتون) زخمه الزاوي. يمكن تمثيل الدوران كمتجه، والجسيم الكمي نفسه كمغناطيس مجهري.

من المهم أن نفهم أنه عندما لا يلاحظ أحد الكم، على سبيل المثال الإلكترون، فإنه يحتوي على جميع قيم الدوران في نفس الوقت. هذا المفهوم الأساسي لميكانيكا الكم يسمى "التراكب".

تخيل أن الإلكترون الخاص بك يدور في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت. وهذا يعني أنه في كلتا حالتي الدوران في وقت واحد (دوران المتجه للأعلى/دوران المتجه للأسفل). قدَّم؟ نعم. ولكن بمجرد ظهور المراقب وقياس حالته، يحدد الإلكترون نفسه ناقل الدوران الذي يجب أن يقبله - لأعلى أو لأسفل.

هل تريد أن تعرف كيف يتم قياس دوران الإلكترون؟يتم وضعها في مجال مغناطيسي: الإلكترونات ذات الدوران المعاكس لاتجاه المجال، والتي تدور في اتجاه المجال، سوف تنحرف في اتجاهات مختلفة. يتم قياس دورانات الفوتون عن طريق إرسالها إلى مرشح الاستقطاب. إذا كان دوران (أو استقطاب) الفوتون هو "-1"، فإنه لا يمر عبر المرشح، وإذا كان "+1"، فإنه يمر عبر المرشح.

ملخص.بمجرد قياس حالة إلكترون واحد وتحديد أن دورانه هو "+1"، فإن الإلكترون المرتبط به أو "المتشابك" معه يأخذ قيمة دوران "-1". وعلى الفور، حتى لو كان على المريخ. على الرغم من أنه قبل قياس حالة الإلكترون الثاني، كان له قيمتي الدوران في وقت واحد ("+1" و"-1").

هذه المفارقة، التي تم إثباتها رياضيا، لم تعجب أينشتاين كثيرا. لأنه يتناقض مع اكتشافه أنه لا توجد سرعة أكبر من سرعة الضوء. ولكن ثبت مفهوم الجسيمات المتشابكة: إذا كان أحد الجسيمات المتشابكة على الأرض، والثاني على المريخ، فإن الجسيم الأول، في لحظة قياس حالته، ينتقل على الفور (أسرع من سرعة الضوء) إلى الفضاء. معلومات الجسيم الثاني هي قيمة الدوران التي يجب أن تقبلها. أي: المعنى المعاكس.

نزاع أينشتاين مع بور. من على حق؟

أطلق أينشتاين "التشابك الكمي" على SPUCKHAFTE FERWIRKLUNG (ألمانية) أو عمل مخيف، شبحي، خارق للطبيعة عن بعد.

لم يتفق أينشتاين مع تفسير بور لتشابك الجسيمات الكمومية. لأنه تناقض نظريته القائلة بأن المعلومات لا يمكن أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء.في عام 1935، نشر ورقة بحثية تصف تجربة فكرية. سميت هذه التجربة "مفارقة آينشتاين-بودولسكي-روزين".

وافق أينشتاين على إمكانية وجود الجسيمات المرتبطة، لكنه توصل إلى تفسير مختلف للانتقال الفوري للمعلومات فيما بينها. قال "الجزيئات المتشابكة" بالأحرى مثل زوج من القفازات.تخيل أن لديك زوجًا من القفازات. تضع اليسرى في حقيبة واحدة، واليمنى في الثانية. لقد أرسلت الحقيبة الأولى إلى صديق، والثانية إلى القمر. عندما يستلم الصديق الحقيبة، سيعرف أن الحقيبة تحتوي إما على قفاز يسار أو يمين. عندما يفتح الحقيبة ويرى أن هناك قفازًا أيسرًا فيها، سيعرف على الفور أن هناك قفازًا أيمنًا على القمر. وهذا لا يعني أن الصديق أثر على حقيقة وجود القفاز الأيسر في الحقيبة ولا يعني أن القفاز الأيسر ينقل المعلومات على الفور إلى القفاز الأيمن. وهذا يعني فقط أن خصائص القفازات كانت في الأصل هي نفسها منذ لحظة فصلها. أولئك. تحتوي الجسيمات الكمومية المتشابكة في البداية على معلومات حول حالاتها.

إذن، من كان بور على حق عندما اعتقد أن الجسيمات المرتبطة تنقل المعلومات إلى بعضها البعض على الفور، حتى لو كانت منفصلة على مسافات شاسعة؟ أو أينشتاين، الذي كان يعتقد أنه لا توجد علاقة خارقة للطبيعة، وأن كل شيء محدد مسبقًا قبل وقت طويل من لحظة القياس.

انتقل هذا النقاش إلى مجال الفلسفة لمدة 30 عامًا. فهل تم حل الخلاف منذ ذلك الحين؟

نظرية بيل. هل تم حل النزاع؟

اكتشف جون كلاوزر، وهو لا يزال طالب دراسات عليا في جامعة كولومبيا، في عام 1967 العمل المنسي للفيزيائي الأيرلندي جون بيل. لقد كان ضجة كبيرة: اتضح نجح بيل في كسر الجمود بين بور وأينشتاين.. واقترح إجراء اختبار تجريبي لكلا الفرضيتين. وللقيام بذلك، اقترح بناء آلة يمكنها إنشاء ومقارنة العديد من أزواج الجسيمات المتشابكة. بدأ جون كلاوزر في تطوير مثل هذه الآلة. يمكن لجهازه إنشاء آلاف الأزواج من الجسيمات المتشابكة ومقارنتها وفقًا لمعايير مختلفة. أثبتت النتائج التجريبية أن بور كان على حق.

وسرعان ما أجرى الفيزيائي الفرنسي آلان أسبي تجارب، تتعلق إحداها بجوهر النزاع بين أينشتاين وبور. في هذه التجربة، يمكن أن يؤثر قياس جسيم واحد بشكل مباشر على جسيم آخر فقط إذا مرت الإشارة من الأول إلى الثاني بسرعة تتجاوز سرعة الضوء. لكن أينشتاين نفسه أثبت أن هذا مستحيل. لم يتبق سوى تفسير واحد - علاقة خارقة للطبيعة لا يمكن تفسيرها بين الجسيمات.

وقد أثبتت النتائج التجريبية صحة الافتراض النظري لميكانيكا الكم.التشابك الكمي حقيقة واقعة ( التشابك الكمي ويكيبيديا). يمكن ربط الجسيمات الكمومية على الرغم من المسافات الشاسعة.فقياس حالة الجسيم الواحد يؤثر على حالة الجسيم الثاني البعيد عنه وكأن المسافة بينهما غير موجودة. التواصل لمسافات طويلة خارق للطبيعة يحدث بالفعل.

ويبقى السؤال هل النقل الآني ممكن؟

هل تم تأكيد النقل الآني تجريبيا؟

في عام 2011، كان العلماء اليابانيون أول من قام بنقل الفوتونات في العالم! تم نقل شعاع الضوء على الفور من النقطة أ إلى النقطة ب.

إذا كنت تريد أن يتم حل كل ما قرأته عن التشابك الكمي في 5 دقائق، شاهد هذا الفيديو الرائع.

اراك قريبا!

أتمنى لكم جميع المشاريع المثيرة للاهتمام والملهمة!

ملاحظة. إذا كان المقال مفيدا ومفهوما بالنسبة لك فلا تنسى مشاركته.

ملاحظة. اكتب أفكارك وأسئلتك في التعليقات. ما هي الأسئلة الأخرى حول فيزياء الكم التي تهتم بها؟

ملاحظة. اشترك في المدونة - نموذج الاشتراك أسفل المقالة.

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 بتفكيكها ونظرت إليها ووجدت اللون الأزرق، فهذا يعني 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، والتي 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. تولد هذه الفوتونات معًا فقط؛ 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 هناك بالفعل. أي أنه يتم تدميره أولاً هنا، وعندها فقط يظهر هناك. 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 ساكنة. في نفس مركز الكم، تحت قيادة Alexei Fedorov، 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 يتم 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

يعد النقل الآني الكمي أحد أكثر المظاهر المثيرة للاهتمام والمتناقضة للطبيعة الكمومية للمادة، والتي أثارت اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة بين المتخصصين وعامة الناس. يأتي مصطلح النقل الآني من الخيال العلمي، ولكنه يستخدم الآن على نطاق واسع في الأدبيات العلمية. النقل الكمي الآني يعني النقل الفوري للحالة الكمومية من نقطة في الفضاء إلى أخرى تقع على مسافة كبيرة.

مفارقة EPR

خلال فترة التطور النشط لنظرية الكم، في عام 1935، في العمل الشهير لألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين، "هل يمكن أن يكون الوصف الميكانيكي الكمي للواقع كاملاً؟" تمت صياغة ما يسمى بمفارقة EPR (مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين).

في قلب المفارقة هناك مسألة ما إذا كان من الممكن تحليل الكون إلى "عناصر الواقع" الموجودة بشكل منفصل بحيث يكون لكل عنصر من هذه العناصر وصف رياضي خاص به.

أظهر المؤلفون أن ذلك ينبع من نظرية الكم: إذا كان هناك جسيمان A وB لهما ماض مشترك (متناثران بعد الاصطدام أو تشكلا أثناء تحلل بعض الجسيمات)، فإن حالة الجسيم B تعتمد على حالة الجسيم ويجب أن يظهر هذا الاعتماد على الفور وعلى أي مسافة. تسمى هذه الجسيمات بزوج EPR ويقال إنها في حالة "متشابكة".

في عام 1980، أظهر آلان أسبكت بشكل تجريبي أن مفارقة EPR تحدث بالفعل في العالم الكمي. أظهرت قياسات خاصة لحالة جسيمات EPR A وB أن زوج EPR لا يرتبط فقط بماضٍ مشترك، ولكن الجسيم B "يعرف" على الفور بطريقة أو بأخرى كيف تم قياس الجسيم A (ما هي خصائصه التي تم قياسها) وما هي النتيجة .

في عام 1993، اكتشف تشارلز بينيت وزملاؤه كيفية استخدام الخصائص الرائعة لأزواج EPR: فقد اخترعوا طريقة لنقل الحالة الكمومية لجسم ما إلى كائن كمي آخر باستخدام زوج EPR وأطلقوا على هذه الطريقة اسم النقل الآني الكمي. وفي عام 1997، قامت مجموعة من المجربين بقيادة أنطون زيلينجر لأول مرة بإجراء النقل الآني الكمي لحالة الفوتون.

التأكيد التجريبي على النقل الآني الكمي

إن ظاهرة النقل الكمي الآني - نقل المعلومات الكمومية (على سبيل المثال، اتجاه دوران الجسيم أو استقطاب الفوتون) عبر مسافة من ناقل إلى آخر - قد تمت ملاحظتها بالفعل في الممارسة العملية في حالة اثنين الفوتونات والفوتونات ومجموعة من الذرات بالإضافة إلى ذرتين يعمل بينهما ثالث كوسيط. ومع ذلك، لم تكن أي من الطرق المقترحة مناسبة للاستخدام العملي.

وعلى هذه الخلفية، يبدو أن المخطط الأكثر واقعية وسهولة التنفيذ هو ذلك الذي اقترحه متخصصون من جامعة ميريلاند (الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 2008. وتحت قيادة كريستوفر مونرو، تمكن العلماء من نقل المعلومات الكمومية بين جسيمين مشحونين (أيونات الإيتربيوم) يقعان على بعد متر من بعضهما البعض، وتجاوز معدل موثوقية التوصيل 90 بالمئة. تم وضع كل واحد منهم في فراغ وتثبيته في مكانه باستخدام مجال كهربائي. بعد ذلك، باستخدام نبض ليزر فائق السرعة، أُجبروا على إصدار فوتونات في نفس الوقت، بفضل تفاعلها دخلت الجزيئات في حالة ما يسمى بالتشابك الكمي، و"اكتسبت الذرة B خصائص الذرة A، على الرغم من الحقيقة أنهم كانوا في غرف مختلفة على مسافة متر من بعضهم البعض.

"بناءً على نظامنا، من الممكن بناء "مكرر كمي" واسع النطاق سيتم استخدامه لنقل المعلومات عبر مسافات طويلة"، لخص كريستوفر مونرو النتائج.

محطة أرضية بصرية
وكالة الفضاء الأوروبية
على س. تينيريفي – موقع استقبال الإشارة

في عام 2012، نجح فيزيائيون من جامعة فيينا والأكاديمية النمساوية للعلوم في إجراء النقل الآني الكمي على مسافة قياسية تبلغ 143 كيلومترًا - بين جزيرتين من أرخبيل الكناري - لا بالما وتينيريفي. تم تسجيل الرقم القياسي السابق قبل بضعة أشهر من قبل العلماء الصينيين الذين نقلوا حالة كمومية مسافة 97 كم. الخبراء واثقون من أن هذه التجارب ستجعل من الممكن إنشاء شبكة اتصالات كمومية ساتلية في المستقبل.

تضع التجربة، التي أجراها فريق دولي من العلماء بقيادة الفيزيائي النمساوي أنطون زيلينجر، الأساس لشبكة معلومات عالمية تستخدم تأثيرات ميكانيكا الكم لجعل المراسلة أكثر أمانًا وتسمح بإجراء أنواع معينة من الحسابات بكفاءة أكبر. في هذا "الإنترنت الكمومي"، سيكون النقل الكمي بمثابة بروتوكول اتصال رئيسي بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

في هذه التجربة، يتم نقل الحالات الكمومية - ولكن ليس المادة أو الطاقة - عبر مسافة يمكن أن تكون كبيرة بشكل اعتباطي من حيث المبدأ. يمكن أن تعمل العملية حتى لو كان موقع المستلم غير معروف. يمكن استخدام النقل الآني الكمي لنقل الرسائل وتنفيذ العمليات على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولتنفيذ مثل هذه المهام، من الضروري توفير طريقة موثوقة لنقل الفوتونات عبر مسافات طويلة، حيث تظل حالتها الكمومية الهشة دون تغيير.

آفاق استخدام النقل الكمي

في العديد من البلدان، تتم مناقشة برامج لاستخدام تأثير النقل الآني الكمي لإنشاء حواسيب بصرية كمومية، حيث ستكون الفوتونات بمثابة حاملات للمعلومات. استهلكت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الأولى عشرات الكيلووات من الطاقة. ستكون سرعة تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية وكمية المعلومات أكبر بعشرات المرات من أجهزة الكمبيوتر الحالية. في المستقبل، ستصبح شبكات النقل الكمي منتشرة على نطاق واسع مثل شبكات الاتصالات الحديثة. بالمناسبة، ستكون الفيروسات الكمومية أكثر خطورة بكثير من فيروسات الشبكة الحالية، لأنها بعد نقلها الآني ستكون قادرة على الوجود خارج الكمبيوتر. ستقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتنفيذ حسابات "باردة"، وتعمل دون أي استهلاك للطاقة تقريبًا. وفي نهاية المطاف، فإن الاحتكاك، الذي يؤدي إلى إهدار الطاقة، هو مفهوم مجهري. في العالم الكمي، الآفة الرئيسية هي الضوضاء، والتي تأتي من التفاعل غير المترابط للأشياء مع بعضها البعض.

حتى الآن، اكتسب علم المعلومات الكمي جميع علامات العلم الدقيق، بما في ذلك نظام التعريفات والمسلمات والنظريات الصارمة. ويتضمن الأخير، على وجه الخصوص، نظرية استحالة استنساخ الكيوبت*، والتي تم إثباتها بدقة باستخدام نظرية العامل الوحدوي للتطور الكمي. أي أنه من المستحيل، بعد تلقي معلومات كاملة عن الجسم الكمي A (حالته غير معروفة في البداية)، إنشاء كائن ثانٍ، وهو نفس الكائن تمامًا، دون تدمير الأول. والحقيقة هي أن إنشاء اثنين من الكيوبتات - نسخ مطلقة من بعضها البعض - يؤدي إلى تناقض يمكن أن يسمى مفارقة التوأم الكمومي. ومع ذلك، فمن الواضح بالفعل أن إنشاء إلكترونين في نفس الحالة الكمومية أمر مستحيل بسبب القيد الذي يفرضه مبدأ باولي. لا تنشأ المفارقة المزدوجة إذا تم تزويد النسخ أثناء الاستنساخ بسمات مميزة: مكانية وزمانية وطورية وما إلى ذلك. ومن ثم يمكن فهم توليد إشعاع الليزر على أنه عملية استنساخ فوتون بذرة محصور في وسط ذو إشعاع بصري. التضخيم. إذا تعاملنا مع النسخ الكمومي بصرامة، فإن ولادة النسخة الكمومية يجب أن تكون مصحوبة بتدمير النسخة الأصلية. وهذا هو النقل الآني.

______________________

* الكيوبت هي "بتة كمومية"، وهي وحدة من المعلومات الكمومية التي لا تخزن الحالة المنفصلة "0" أو "1"، ولكن تراكبها - تراكب الحالات التي، من وجهة نظر كلاسيكية، لا يمكن تحقيقها في وقت واحد.

عن الطبيعة الكمومية للإنسان

الشخص ليس فقط ما نراه، ولكن أكثر بما لا يضاهى - ما نسمعه، نشعر به، نشعر به. يتخلل الجسم البشري بأكمله الطاقة الكمومية، التي تشكل شبكة فكرية، والذكاء الجماعي ليس فقط للدماغ، ولكن أيضًا لخمسين تريليون خلية أخرى في الجسم، تستجيب على الفور لأدنى مظاهر الأفكار والعواطف، مما يسمح بـ تغييرات مستمرة في الاهتزازات الدقيقة.

تقول الفيزياء أن النسيج الأساسي للطبيعة يقع على المستوى الكمي، وهو أعمق بكثير من مستوى الذرات والجزيئات، وهذا هو أساس البناء. الكم هو الوحدة الأساسية للمادة أو الطاقة، وهو أصغر بعشرات الملايين من المرات من أصغر ذرة. وفي هذا المستوى تصبح المادة والطاقة متكافئتين. تتكون جميع الكوانتا من اهتزازات غير مرئية من تقلبات الضوء - أشباح الطاقة - جاهزة لاتخاذ شكل مادي.

يتعرض جسم الإنسان في البداية لاهتزازات مكثفة ولكنها غير مرئية، تسمى التقلبات الكمية، وبعد ذلك فقط يتم دمجها في نبضات من الطاقة وجزيئات المادة. الجسم الكمومي هو الأساس الأساسي لكل ما نتكون منه: الأفكار، والعواطف، والبروتينات، والخلايا، والأعضاء - باختصار، جميع المكونات المرئية وغير المرئية.

على المستوى الكمي، يرسل الجسم جميع أنواع الإشارات غير المرئية، في انتظار أن نستقبلها. جميع العمليات والأعضاء في أجسامنا لها معادلها الكمي. إن وعينا قادر على اكتشاف الاهتزازات الدقيقة بفضل الحساسية المذهلة لجهازه العصبي، الذي يستقبلها وينقلها ثم يضخمها بطريقة تبدأ حواسنا في إدراك هذه الإشارات. ونحن نعزو كل هذا إلى الحدس.

نميل جميعًا إلى النظر إلى أجسادنا على أنها منحوتات متجمدة - أشياء مادية صلبة غير متحركة - في حين أنها في الواقع أشبه بالأنهار، وتغير نمط فكرنا باستمرار. في كل عام، يتم استبدال 98% من الذرات الموجودة في جسمك بذرات جديدة. يتم التحكم في تدفق التغييرات هذا على المستوى الكمي بواسطة نظام الجسم والعقل.

على المستوى الكمي، لا يوجد أي جزء من الجسم يعيش بمعزل عن الباقي. عندما يكون الشخص سعيدًا، فإن المواد الكيميائية التي يفرزها الدماغ "تسافر" في جميع أنحاء الجسم، لتخبر كل خلية عن الشعور بالسعادة. كما ينتقل المزاج السيئ كيميائيًا إلى كل خلية، مما يضعف نشاط الجهاز المناعي. كل ما نفكر فيه ونفعله ينشأ أولاً في أعماق الجسم الكمي ثم يرتفع إلى سطح الحياة.

يستطيع الإنسان أن يعلم وعيه كيف يتحكم في نفسه عند هذا المستوى الدقيق؛ في الأساس، ما يسميه الأفكار والعواطف هو مجرد تعبيرات عن هذه التقلبات الكمومية. الفكر البشري هو نوع من النقل الآني الكمي، حيث يرسل حزمة كمية من كائن إلى كائن آخر يقع على مسافة عشوائية. إن نقل المعلومات هذا ممكن بسبب تأثير "التشابك"، حيث "يعرف" جسمان بوجود بعضهما البعض. الفكر، بمجرد أن يتلقى نقطة مرجعية، ينطلق في رحلة إلى موضوع الدراسة ويمكنه تحديد أي معلمة وحالة، وبالفعل في الرأس على شاشة الرؤية السائلة فإنه يعرض على الفور مؤشرات أداء الموضوع، ويقوم الدماغ بتقييمه والتعرف عليه، وإصدار أحكامه.

"النقل الآني" للأفكار إلى الفضاء المحيط

في كتابه "السحر الكمي" يقول إس.آي. يرسم دورونين تشبيهًا مثيرًا للاهتمام بين الأبحاث في مجال النقل الآني الكمي وخصائص النفس البشرية ذات الطبيعة الكمومية. ويشير على وجه الخصوص إلى:

"... عند بناء مفتاح كمي، من المفترض أن يكون هناك عدد معين (N) من المستخدمين ومفتاح مركزي، حيث يتم توصيلهم جميعًا عبر قناة اتصال كمومية. يمكن شرح مبدأ تشغيل هذا المفتاح على النحو التالي. دع كل مستخدم لديه (في أبسط الحالات) زوج واحد متشابك إلى أقصى حد. يرسلون جسيمًا واحدًا من زوجهم إلى المبدل المركزي، حيث يتم دمجهما. وفي هذه الحالة، فإن جميع الجسيمات المتبقية في حوزة المستخدم يتبين أنها متشابكة كميًا. جميع جزيئات N التي لا تزال مرتبطة بالكم، أي أن جميع المستخدمين متحدون من خلال الارتباطات الكمومية، كما لو أنهم "مضمنون" في شبكة كمومية واحدة ويمكنهم التواصل "تخاطريًا" مع بعضهم البعض.

يمكن اعتبار التبديل الكمي الموصوف أعلاه أبسط نموذج فيزيائي يوضح عمل الأيغريجور (مصطلح مقصور على فئة معينة) والشياطين (في التقليد الديني). عندما نعطي أفكارنا وعواطفنا "للاستخدام العام"، فإننا بذلك نجد أنفسنا "مشمولين" في "مفاتيح كمومية" مختلفة وفقًا لاتجاه أفكارنا ومشاعرنا. لكي "يعمل" egregor (الشيطان) كمفتاح كمي ويبدأ وجوده كعنصر موضوعي للواقع ("جلطة الطاقة" في الهالة الكمومية للأرض)، يكفي أن "الإفرازات النفسية" للعديد من الأشخاص هي نفسها (أو قريبة). بشكل عام، لكي يكون هناك تفاعل بين الأنظمة المختلفة، يجب أن تكون لها نفس الحالات. ثم التحولات بين هذه الحالات، ونتيجة لذلك، توليد وامتصاص الطاقة سوف يؤدي إلى التفاعل والارتباطات. الطاقات المتطابقة ستكون قادرة على التفاعل. علاوة على ذلك، كلما كان فرق الطاقة بين المستويات أصغر، كلما كانت التفاعلات الكلاسيكية أضعف، وكلما زاد الحجم النسبي للارتباطات الكمومية في هذه الحالة. على سبيل المثال، لدينا جميعًا تقريبًا نفس المجموعات من الحالات العاطفية والعقلية الأساسية، وبالتالي فإن الأفكار والعواطف أحادية الاتجاه (أي انتقال العديد من الأشخاص إلى حالة عقلية أو عاطفية معينة) تؤدي تلقائيًا إلى توليد تدفقات طاقة مماثلة وإلى التفاعل على هذه المستويات. بمعنى آخر، لتشكيل "مفاتيح كمومية" جديدة أو إعادة شحن موجودة - egregors (الشياطين). تحتوي العواطف على طاقة أكبر، لكن المعلومات الكمية أقل، وعلى العكس من ذلك، تحتوي على طاقة أقل، ولكن معلومات كمية أكثر (مقياس التشابك أعلى).

يجب أن يكون الوعي الفردي قادرًا على العمل بشكل هادف في مساحة الحالات التي وصل إليها (تغيير ناقل الحالة على المستوى المحقق). إن القدرة على تغيير ناقل الحالة بأكمله عند مستوى معين من الواقع تجعل من الممكن تغييره على جميع المستويات الأدنى (الكثيفة). من الناحية العملية، هذا يعني أن الوعي قادر على إعادة توزيع الطاقة بشكل صحيح من خلال التحكم في تدفقات الطاقة. اسمحوا لي أن أشير إلى أن التغير في الحالة هو تغير في الطاقة، لأنه في ميكانيكا الكم هو دالة للحالة.

بناءً على مواد من منشورات الإنترنت