بوابة منطقية كمومية بين الفوتون والذرة قد تشكل أساس التواصل الكمي

يعد مختبر البروفيسور باراك ديان في معهد وايزمان للعلوم أحد المختبرات القليلة في العالم التي تم إنشاؤها بهدف التطوير وإيجاد حل لهذا التحدي. لقد اتخذ علماء هذا المختبر مؤخرًا خطوة مهمة نحو تطوير نظام الاتصالات هذا

لا نعرف كيف سيبدو الكمبيوتر الكمي، وكيف سيعمل بالضبط، ولكن مع ذلك، فإن مثل هذا الكمبيوتر هو نوع من الكأس المقدسة التي تقف في قلب طموحات العلماء في العديد من المختبرات حول العالم. إن الفائدة التي يمكن الحصول عليها من مثل هذا الكمبيوتر كبيرة جدًا لدرجة أنها تبرر الجهد المبذول والتعامل مع عدم اليقين. ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على إجراء عمليات حسابية لا يمكن إجراؤها على أجهزة كمبيوتر عادية، مثل تحليل عدد كبير جدًا، تم إنشاؤه كمنتج لعددين أوليين، إلى مكوناته. وتعني هذه القدرة إمكانية فك المعلومات المشفرة في أنظمة التشفير الأكثر شيوعاً وموثوقية الموجودة اليوم، والتي تستخدم في الاتصالات الاقتصادية والأمنية والخاصة.

إن الميزة الكبيرة للحاسوب الكمومي، وصعوبة بنائه، تنبع من الفرق الجوهري بين بتات الحاسوب العادي والبتات الكمومية. البت العادي هو نوع من المفاتيح التي تكون في أي لحظة في إحدى الحالتين المحتملتين (على سبيل المثال، "إيقاف" و"تشغيل")، والتي يمكن وصفها بالأرقام صفر (0) وواحد (1). على التوالى. من ناحية أخرى، يمكن أن تكون البتة الكمومية ("الكيوبت") في نفس الوقت في حالة "صفر" و"واحد" (حالة تسمى "التراكب") - أو في أي مجموعة أخرى من الحالتين. ولذلك، فإنه سيكون قادرا على إجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت. تنبع هذه القدرة من إحدى الخصائص الأساسية التي تعزوها نظرية الكم لكل من المادة والضوء: الوجود المزدوج كجسيمات وموجات. في عالم الأشياء الكبيرة، هناك قواعد الفيزياء الكلاسيكية، والتي بموجبها تبدو الأشياء وكأنها موجودة في أماكن محددة. لكن في عالم الأشياء الصغيرة، مثل الذرات والفوتونات (جسيمات الضوء)، تكشف نظرية الكم عن الجانب المدهش والغريب في الطبيعة: كل شيء، حتى الجسيمات، تسيطر عليه موجات يمكن العثور عليها في عدة أماكن في نفس الوقت. . على سبيل المثال، يمكن للذرات والإلكترونات والفوتونات أن تتحرك في وقت واحد في عدة مسارات محتملة - طالما لا يوجد عامل يراقبها أو يقيسها. بمجرد أن يراقبهم شخص ما أو شيء ما - ينهار الوجود المزدوج (الموازي)، و"يختار" الكون مسارًا واحدًا فقط. وهذا، إلى حد ما، هو جوهر الصعوبة في بناء البت الكمي. فمن ناحية، نريد أن نتمتع بتوازي وجودها، ولهذا نحتاج إلى عزلها عن أي اتصال بالبيئة. من ناحية أخرى، إذا كنت تريد تغيير حالتها (على سبيل المثال، تحويل حالة "صفر" إلى "واحد" والعكس صحيح)، أو إجراء عملية حسابية باستخدامها، فيجب عليك التفاعل معها، ومن ثم يجوز لها ذلك. ينهار في مثيله الجسيمي، ويفقد خصائصه الموجية ووجوده الموازي.

يعمل العلماء في مختبرات مختلفة حول العالم على تطوير أنواع مختلفة من البتات الكمومية. حتى أن بعض الشركات أعلنت أنها تمكنت من تطوير أنظمة تتضمن العشرات من هذه البتات. ولكن من أجل تطوير حاسوب كمي قادر على حل المشاكل التي لا تستطيع الحواسيب العادية حلها، هناك حاجة إلى ملايين البتات الكمومية، التي ستدير الاتصالات واسعة النطاق فيما بينها. ويعني الاتصال الكمي بين الأنظمة المختلفة، بالضرورة تقريبًا، "ترجمة" الكيوبت إلى نبضة ضوئية (نبضة) لفوتون واحد، والتي يمكن إرسالها عبر الألياف الضوئية من مجموعة من الكيوبتات إلى أخرى. إن تطوير مثل هذا التواصل يمثل تحديًا علميًا وتكنولوجيًا صعبًا ويشكل أحد الاختناقات الرئيسية في طريق زيادة أنظمة الحوسبة الكمومية الموجودة اليوم.

 مختبر البروفيسور باراك ديان وفي معهد وايزمان للعلوم، يعد أحد المختبرات القليلة في العالم التي تم إنشاؤها بهدف التطوير وإيجاد حل لهذا التحدي. لقد اتخذ علماء هذا المختبر مؤخرًا خطوة مهمة نحو تطوير نظام الاتصالات هذا. يقول البروفيسور دايان: "إن القوة الحسابية للكمبيوتر الكمي تأتي من حقيقة أنه ينشط العديد من الكيوبتات في نفس الوقت، كل منها في حالة تراكب - وتتواصل مع بعضها البعض". ومن أجل تعزيز هذا الاحتمال، قام البروفيسور دايان وأعضاء مجموعته، في دراسة سابقة، بتطوير طريقة تسمح "بتمزيق" فوتون واحد من وميض الضوء. يتمتع هذا العرض بأهمية كبيرة حيث من المتوقع أن تشكل الفوتونات المنفردة العمود الفقري لأنظمة الاتصالات الكمومية المستقبلية. في الدراسة الجديدة التي نشرت في العدد الحالي من المجلة العلمية فيزياء الطبيعةونجح البروفيسور ديان وأعضاء مجموعته في إنشاء - لأول مرة - بوابة منطقية تسمح للفوتون والذرة بتبادل المعلومات (الكيوبت) التي يحملانها.

 يقول البروفيسور دايان: "في التجربة، أظهرنا كيف أنه من الممكن إطلاق فوتون واحد يحمل رسالة، أي كيوبت واحد، وبمجرد وصوله إلى كيوبت مادي - وهو في حالتنا ذرة". - فهو ينقل المعلومات التي يحملها إليه تلقائياً، ويأخذ مكانها المعلومات التي كان يخزنها باتوم، ويستمر في طريقه. أي أنها عملية قراءة وكتابة متزامنة وتلقائية - وهي الطريقة الوحيدة التي تسمح بها نظرية الكم، والتي يُحظر فيها تكرار المعلومات أو حذفها، ولكن فقط نقلها من مكان إلى آخر.

 هذا النظام، الذي هو في الواقع بوابة منطقية SWAP بين الفوتون والذرة، هو أول عرض في العالم لمثل هذه البوابة، والتي تعد الأساس الأكثر طبيعية للاتصال الكمي الفعال. نظرًا لأن البوابة تحدث بشكل سلبي وتلقائي، فليست هناك حاجة لإدارتها من الخارج، لذا فهي مناسبة بشكل خاص لإنشاء شبكات اتصالات كمومية كبيرة - وهو نوع من المكافئ الكمي للدوائر الرقمية (VLSI). يقول البروفيسور دايان: "نظرًا لأن البوابة التي أظهرناها ذات صلة بالاتصال الفوتوني بين جميع أنواع البتات الكمومية المادية، وليس فقط بين الذرات، فإننا نأمل ونعتقد أنه سيتم استخدامها على نطاق واسع في الجيل القادم من أنظمة الحوسبة الكمومية في العالم."

• المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
• التشابك الكمي يتلقى تأكيدًا من الكوازارات البعيدة
• لأول مرة، تمت محاكاة الجزيء باستخدام كمبيوتر كمي
• تاريخ مجال علم المعلومات الكمومية