باحثون ينجزون تشابكًا كميًا قياسيًا

تمكن فريق من العلماء من جمع 18 كيلو بت (الوحدات الأساسية للحوسبة الكمومية) إلى 6 فوتونات متصلة بشكل غريب. وبذلك يكونوا قد حققوا 3 كيلو بتات لكل فوتون، وهو رقم قياسي لعدد الكيلو بتات الممكن ربطها ببعضها البعض عن طريق التشابك الكمي. لكن ما المثير في ذلك؟.

يعتمد كل العمل الذي يتم إجراؤه في جهاز الحاسوب التقليدي، بما في ذلك أي جهاز تستخدمه لقراءة هذه المقالة، على العمليات الحسابية باستخدام وحدات البت، التي تقوم بالتبديل بين حالتين (تسمى عادةً “1” و “0”). ولكن تحسب أجهزة الحاسوب الكمية باستخدام الكيلو بت، والتي تتشابه مع البت في عدد الحالات ولكنها تتصرف وفقًا لقواعد فيزياء الكم الغريبة. على عكس البتات التقليدية، يمكن أن يحتوي الكيلو بت على حالات غير محددة؛ لا 1 ولا 0، ولكن إمكانية كلاهما تصبح مترابطةً بشكل غريب أو متشابكةً، بحيث يؤثر سلوك واحد من البتات على الآخر بشكل مباشر. يسمح هذا لجميع أنواع الحسابات التي يمكن بالكاد لأجهزة الكمبيوتر العادية القيام بها.

(ومع ذلك فإن الحوسبة الكمومية في مراحلها التجريبية المبكرة للغاية)، وفقًا لسيدني شريبلر، الفيزيائية في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، فإن هذا الإنجاز كان ممكنًا لأن فريق جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) نجح في جمع الكيلو بتات إلى جزيئات قليلة جدًا. وقالت: «إذا كان الهدف هو جمع 18، فإن الطريقة التي كان يمكن فعلها في الماضي هي جعل 18 جسيمًا متشابكًا مع واحد لكل منهما. وهذه عملية بطيئة. ويستغرق الأمر عدة ثوان لدمج الجسيمات الستة المستخدمة في التجربة وهي بالفعل زمن طويل بالنسبة للحاسوب العادي، حيث يجب أن تبدأ عملية تشابك جديدة لكل عملية حسابية. وكل جسيم إضافي يضاف إلى التشابك يستغرق وقتًا أطول للانضمام أكثر من الأخير، إلى درجة أنه سيكون من غير المعقول تمامًا بناء تشابك 18 بتًا، واحدً في كل مرة».

(هناك الكثير من التجارب الكمومية التي تتضمن أكثر من 18 كيلو بت، ولكن في هذه التجارب لا تتشابك الكيلو بتات. بل بدلًا من ذلك، تشبك الأنظمة عددًا قليلًا من الكيلو بتات المجاورة لكل عملية حسابية.) لتعبئة كل من الجسيمات الستة المتشابكة (الفوتونات، في هذه الحالة) بثلاثة كيلو بتات، استفاد الباحثون من “درجات الحرية المتعددة” للفوتونات، حسبما ذكر في ورقة نشرت في 28 يونيو في دورية Physical Review Letters متوفرة أيضًا على موقع arXiv.

عندما يتم ترميز الكيلو بت إلى جسيم، يتم ترميزه إلى إحدى الحالات التي يمكن للجسيم أن يتقلب بينها، مثل استقطابه أو دورانه الكمي. كل واحد من هؤلاء هو “درجة الحرية”. تنطوي التجربة الكمية النموذجية على درجة واحدة من الحرية عبر جميع الجسيمات المعنية. لكن الجسيمات مثل الفوتونات لها درجات كثيرة من الحرية. ومن خلال الترميز باستخدام أكثر من واحد في نفس الوقت، وهو شيء قام باحثون بتجربته من قبل، ولكن ليس إلى هذا الحد، قالت شريبلر: «يمكن للنظام الكمومي أن يجمع الكثير من المعلومات إلى جزيئات أقل».

تضيف شريبلر: «يبدو الأمر كما لو أن لديك ستة بتات في جهاز الكمبيوتر الخاص بك، ولكن كل جزء منها قد تضاعف ثلاث مرات في كمية المعلومات التي يمكن أن تحملها، ويمكنهم فعل ذلك بسرعة وكفاءة عالية». وقالت أن إجراء هذه التجربة من قبل الباحثين في USTC، لا يعني أن تجارب الحوسبة الكمومية في أماكن أخرى ستبدأ في إشراك العديد من درجات الحرية في كل مرة.

وقالت إن الفوتونات مفيدة على وجه الخصوص لأنواع معينة من العمليات الكمية، والأهم من ذلك هو الشبكات الكمومية، التي تنتقل فيها المعلومات بين أجهزة حاسوب كمومية متعددة. لكن الأشكال الأخرى من الكيلو بتات مثل تلك الموجودة في الدوائر فائقة التوصيل التي تعمل عليها شريبلر، قد لا تكون بهذه السهولة.

وقالت إن أحد الأسئلة المفتوحة من البحث هو ما إذا كانت جميع التشابكات تتفاعل بالتساوي، أو ما إذا كانت هناك اختلافات بين تفاعلات الكيلو بتات على نفس الجسيمات أو أعبر درجات مختلفة من الحرية.

كما قال الباحثون في الصحيفة أن هذا النوع من التجارب قد يسمح بحسابات كمية معينة قد تم حتى الآن مناقشتها فقط نظريًا ولم يتم تنفيذها أبدًا.