نتائج التشابك الجديدة تلمح إلى رموز كم أفضل

هذا الشهر، فاز ثلاثة علماء بجائزة نوبل في الفيزياء لعملهم لإثبات واحدة من أكثر الحقائق غير المتوقعة في العالم الكمومي. لقد أظهروا أن جسيمين كميين متشابكين يجب اعتبارهما نظامًا واحدًا - حالتهما متشابكة بلا هوادة مع بعضها البعض - حتى لو كانت الجسيمات مفصولة بمسافات كبيرة. من الناحية العملية ، تعني ظاهرة "عدم التواجد" هذه أن النظام الذي أمامك يمكن أن يتأثر فورًا بشيء يبعد آلاف الأميال.

يتيح التشابك وعدم التواجد لعلماء الكمبيوتر إنشاء أكواد غير قابلة للكسر. في تقنية تُعرف باسم توزيع المفتاح الكمومي المستقل عن الجهاز ، يتشابك زوج من الجسيمات ثم يتم توزيعها على شخصين. يمكن الآن للخصائص المشتركة للجسيمات أن تعمل كرمز ، واحد من شأنه أن يحافظ على الاتصالات آمنة حتى من أجهزة الكمبيوتر الكمومية - آلات قادرة على اختراق تقنيات التشفير التقليدية.

لكن لماذا التوقف عند جسيمين؟ من الناحية النظرية ، لا يوجد حد أقصى لعدد الجسيمات التي يمكن أن تشترك في حالة التشابك. لعقود من الزمان ، تصور علماء الفيزياء النظرية اتصالات كمومية ثلاثية ، وأربعة اتجاهات ، وحتى 100 اتجاه - وهو نوع من الأشياء التي تسمح بإنترنت محمية كمومية موزعة بالكامل. الآن ، حقق مختبر في الصين ما يبدو أنه تشابك غير محلي بين ثلاثة جسيمات في وقت واحد ، مما قد يعزز قوة التشفير الكمي وإمكانيات الشبكات الكمومية بشكل عام.

قال "عدم التمركز بين الحزبين جنوني بما يكفي كما هو" بيتر بيرهورست، عالم نظرية المعلومات الكمومية في جامعة نيو أورلينز. "لكن اتضح أن ميكانيكا الكم يمكنها فعل أشياء تتجاوز ذلك عندما يكون لديك ثلاثة أطراف."

لقد تسبب الفيزيائيون في تشابك أكثر من جسيمين من قبل. السجل في مكان ما بين 14 جسيمات و 15 تريليون، حسب من تسأل. لكن هذه كانت فقط عبر مسافات قصيرة ، فقط بوصات على الأكثر. لجعل التشابك متعدد الأطراف مفيدًا للتشفير ، يحتاج العلماء إلى تجاوز التشابك البسيط وإثبات عدم التمركز - "شريط عالٍ لتحقيقه" ، كما قال إيلي وولف، عالم نظرية الكم في معهد Perimeter للفيزياء النظرية في واترلو ، كندا.

المفتاح لإثبات عدم التمركز هو اختبار ما إذا كانت خصائص أحد الجسيمات تتطابق مع خصائص الآخر - السمة المميزة للتشابك - بمجرد تباعدهما بدرجة كافية بحيث لا يمكن لأي شيء آخر أن يسبب التأثيرات. على سبيل المثال ، الجسيم الذي لا يزال قريبًا فعليًا من توأمه المتشابك قد يصدر إشعاعات تؤثر على الآخر. ولكن إذا كانت المسافة بينهما ميلًا وتم قياسها عمليًا على الفور ، فمن المحتمل أن تكون مرتبطة فقط بالتشابك. المجربون يستخدمون مجموعة من المعادلات تسمى عدم المساواة بيل لاستبعاد جميع التفسيرات الأخرى لخصائص الجسيمات المرتبطة.

مع وجود ثلاثة جسيمات ، تتشابه عملية إثبات عدم التمركز ، ولكن هناك المزيد من الاحتمالات للاستبعاد. هذه البالونات تعقيد كل من القياسات والأطواق الرياضية التي يجب على العلماء القفز من خلالها لإثبات العلاقة غير المحلية للجسيمات الثلاثة. قال Bierhorst: "عليك أن تبتكر طريقة إبداعية للتعامل معها" - ولديك التكنولوجيا اللازمة لخلق الظروف المناسبة في المختبر.

في النتائج المنشورة في أغسطس ، حقق فريق في Hefei ، الصين ، قفزة حاسمة إلى الأمام. أولاً ، عن طريق إطلاق الليزر من خلال نوع خاص من الكريستال ، فهم متشابكا ثلاثة فوتونات ووضعها في مناطق مختلفة من مرفق البحث ، على بعد مئات الأمتار. ثم قاموا في نفس الوقت بقياس خاصية عشوائية لكل فوتون. قام الباحثون بتحليل القياسات ووجدوا أن العلاقة بين الجسيمات الثلاثة يمكن تفسيرها بشكل أفضل من خلال عدم التمركز الكمي ثلاثي الاتجاهات. لقد كان العرض الأكثر شمولاً لعدم التخصيص ثلاثي الاتجاهات حتى الآن.

من الناحية الفنية ، لا تزال هناك فرصة ضئيلة لحدوث شيء آخر. قال "لا يزال لدينا بعض الثغرات المفتوحة" Xuemei قو، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة. ولكن من خلال فصل الجسيمات ، تمكنوا من استبعاد التفسير البديل الأكثر وضوحًا لبياناتهم: القرب المادي.

استند المؤلفون أيضًا في تجربتهم إلى تجربة جديدة ، تعريف أكثر صرامة من عدم التمركز ثلاثي الاتجاهات الذي اكتسب زخمًا في السنوات القليلة الماضية. في حين أن التجارب السابقة سمحت بالتعاون بين الأجهزة التي قامت بقياس الفوتونات ، لم تتمكن أجهزة Gu الثلاثة من التواصل. بدلاً من ذلك ، قاموا بإجراء قياسات عشوائية للجسيمات - وهو تقييد سيكون مفيدًا في سيناريوهات التشفير حيث يمكن اختراق أي اتصال. ريناتو رينر، عالم فيزياء الكم في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ. (باستخدام النموذج الأقدم ، الفريق الكندي تظاهر ثلاثة اتجاهات غير تحديد الموقع على مسافة في عام 2014.)

الآن بعد أن نجح الباحثون الذين يتبعون التعريف الجديد في تشابك الجسيمات بعيدًا عن بعضها البعض ، يمكنهم التركيز على توسيع المسافة إلى أبعد من ذلك.

قال: "إنها خطوة مهمة نحو القيام بتجارب على نطاق أوسع ومسافة أطول" سايكات جوها، عالم نظرية المعلومات الكمومية في جامعة أريزونا.

بشكل مباشر ، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تدعم توزيع مفاتيح كمومية أكثر اتساعًا ، كما قال رينر. إذا كنت تستخدم الجسيمات المتشابكة كمفتاح للتشفير ، فإن نفس عدم مساواة بيل التي يستخدمها الفيزيائيون لاختبار عدم التمركز يمكن أن يضمن أن سرك آمن تمامًا. ثم حتى إذا تم التلاعب بالجهاز الذي تستخدمه لإرسال أو تلقي رسالة بشكل ضار من قبل أسوأ أعدائك ، فلن يتمكنوا من تحديد مفتاحك الكمي. تبقى تلك الأسرار بينك وبين من لديه الجسيم المتشابك الآخر.

قال رينر إن توزيع المفاتيح الكمية هو "الشيء الذي يثيره الناس". العام الماضي، ثلاث مجموعات منفصلة عرض البروتوكول في المختبر ، على الرغم من أنه لا يزال على نطاق صغير. هذا هو السبب في أن عدم التواجد ثلاثي الاتجاهات سيكون مهمًا للغاية. "لديك من حيث المبدأ قدرة تشفير أكبر بكثير" ، لأنه لا يمكن محاكاة هذه الاتصالات ثلاثية الاتجاهات عن طريق تجميع بعض الروابط ثنائية الاتجاه معًا.

قال بيرهورست: "إنه مستوى جديد تمامًا من الظواهر" ، وهو مستوى يمكن أن يوسع التشفير المستقل عن الجهاز من الاتصال الأساسي ثنائي الاتجاه إلى شبكة كاملة من المشاركين السريين.

إلى جانب التشفير ، يفتح التشابك متعدد الأطراف أيضًا إمكانيات لأنواع أخرى من الشبكات الكمومية. يعمل باحثون مثل Guha على ملف الإنترنت الكم، والتي يمكن أن تربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالطريقة التي يربط بها الإنترنت العادي الأجهزة العادية. سيجمع هذا النظام بين قوة الحوسبة للعديد من الأجهزة الكمومية من خلال ربط ملايين الجسيمات بمستويات متفاوتة من التشابك عبر مسافات متفاوتة. قال جوها: لدينا كل اللبنات الأساسية لمثل هذا النظام ، لكن تجميعه "يمثل تحديًا هندسيًا ضخمًا وضخمًا." مع وضع هذا الهدف في الاعتبار ، قام العلماء في هولندا بذلك نجح في تشابك ثلاثة جسيمات في شبكة تمتد على مختبرين منفصلين - على الرغم من أنهم على عكس فريق Gu ، لم يركزوا على إظهار عدم التواجد.

قال بيرهورست إن هذا العمل على التشابك الثلاثي بدأ باعتباره "مجرد ظاهرة مثيرة للاهتمام". ولكن "عندما يكون لديك شيء يمكن لميكانيكا الكم أن تفعله ويستحيل القيام به بطريقة أخرى ، فإن هذا سيفتح جميع أنواع الاحتمالات التكنولوجية الجديدة التي يمكن استغلالها بطرق غير متوقعة."

في الوقت الحالي ، أظهر عدد قليل من المعامل عدم تموضع رباعي الاتجاهات بين جسيمات قريبة جدًا من بعضها. "هذه التجارب تخمينية إلى حد كبير في هذه المرحلة. قال بيرهورست "عليك أن تضع الكثير من الافتراضات".

لا تزال التجارب الثلاثية تعتمد على بعض الافتراضات أيضًا. أمضى الحائزون على جائزة نوبل نصف قرن في استبعاد هذه الثغرات في تجاربهم ثنائية الاتجاه ، ونجحوا أخيرًا في عام 2017. لكننا قطعنا شوطًا طويلاً منذ ذلك الحين من الناحية التكنولوجية ، كما قال رينر.

قال: "ما [استغرق] عقودًا من قبل سيحدث الآن في غضون عام أو نحو ذلك".