احتفل علماء فيزياء الكم في أكتوبر عندما منحت لجنة نوبل أ الذي طال انتظاره جائزة الفيزياء لكل من Alain Aspect و John Clauser و Anton Zeilinger لريادتهم البحث عن التشابك الكمومي. لكن من المؤكد أن المجتمع لم يستقر على أمجاده ، ومع وجود العديد من التطورات المثيرة الأخرى في عام 2022 ، من الصعب اختيار بعض النقاط البارزة فقط. ومع ذلك ، إليك بعض النتائج التي برزت لنا في مجالات الاستشعار الكمي ، والمعلومات الكمومية ، والحوسبة الكمومية ، والتشفير الكمومي ، وعلم الكم الأساسي.
في ميكانيكا الكم ، ينص مبدأ عدم التمركز على أن الجسيم الكمومي يمكن ، بمعنى ما ، أن يكون في أماكن متعددة في وقت واحد. في غضون ذلك ، ينص مبدأ التشابك على أن الجسيمات الكمومية تختبر ارتباطًا يسمح لحالة جسيم ما بتحديد حالة جسيم آخر ، حتى عبر مسافات شاسعة. في تشرين الثاني (نوفمبر) ، استخدم الفيزيائيون في JILA في كولورادو بالولايات المتحدة مزيجًا من التشابك وإلغاء تحديد الموقع لقمع الضوضاء التي كانت تجعل من المستحيل في السابق الشعور بالتسارع الذي يقل عن الحد الكمي المزعوم. يتم تعيين هذا الحد من خلال الضوضاء الكمومية للجسيمات الفردية ، وقد كان لفترة طويلة قيدًا كبيرًا على دقة أجهزة الاستشعار الكمومية. وبالتالي ، فإن التغلب عليها يعد خطوة كبيرة إلى الأمام.
إرسال المعلومات الكمية من عقدة في شبكة إلى أخرى ليس بالأمر السهل. إذا قمت بتشفير المعلومات في الفوتونات التي ترسل الألياف الضوئية ، فإن الخسائر في الألياف تقضي على دقة الإشارة حتى تصبح غير قابلة للقراءة. إذا استخدمت التشابك الكمومي بدلاً من ذلك لنقل المعلومات مباشرةً ، فإنك تقدم عمليات أخرى تؤدي ، للأسف ، إلى تدهور الإشارة أيضًا. إضافة عقدة ثالثة للشبكة ، مثل علماء الفيزياء في QuTech في هولندا فعل في عام 2021، يجعل المهمة أكثر صعوبة. هذا هو السبب في أنه من المثير للإعجاب أن الباحثين في QuTech تابعوا نجاحهم السابق عن طريق النقل الآني للمعلومات الكمية من المرسل (أليس) إلى جهاز الاستقبال (تشارلي) عبر عقدة وسيطة (بوب). على الرغم من أن دقة انتقال Alice-Bob-Charlie كانت 71٪ فقط ، فإن هذا أعلى من الحد الكلاسيكي البالغ 2/3 ، وقد تطلب تحقيقه من الباحثين الجمع بين العديد من التجارب الصعبة وتحسينها. هل ستنضم عقد Dave و Edna و Fred إلى الشبكة في عام 2023؟ سوف نرى!
في حال لم يكن الأمر واضحًا من أول نقطتين بارزتين في هذه القائمة ، فإن الضجيج يمثل مشكلة كبيرة في علم الكم. هذا صحيح بالنسبة للحوسبة كما هو الحال بالنسبة للاستشعار والتواصل ، وهذا هو سبب أهمية تصحيح هذه الأخطاء الناتجة عن الضوضاء. صنع الفيزيائيون عدة تطورات على هذه الجبهة في عام 2022 ، ولكن واحدة من أهمها جاءت في مايو عندما أظهر باحثون في جامعة إنسبروك بالنمسا وجامعة RWTH آخن في ألمانيا مجموعة كاملة من العمليات الكمومية التي تتحمل الأخطاء لأول مرة. يستخدم الكمبيوتر الكمي الخاص بمصيدة الأيونات سبعة كيوبت فيزيائية لعمل كل كيوبت منطقي ، بالإضافة إلى كيوبتات "علم" للإشارة إلى وجود أخطاء خطيرة في النظام. بشكل حاسم ، كان أداء إصدار النظام المصحح للأخطاء أفضل من الإصدار الأبسط غير المصحح ، مما يوضح إمكانيات التقنية.
أمن المعلومات هو USP للتشفير الكمومي ، لكن المعلومات آمنة دائمًا مثل الحلقة الأضعف في السلسلة. في توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) ، أحد الروابط الضعيفة المحتملة هو الأجهزة المستخدمة لإرسال المفاتيح واستلامها ، والتي تكون عرضة لعمليات الاختراق التقليدية (مثل اختراق شخص ما لعقدة والتلاعب بالنظام) على الرغم من أن المفاتيح نفسها آمنة ضدها. منها الكم. أحد البدائل هو استخدام QKD المستقل عن الجهاز (DIQKD) ، والذي يستخدم قياسات تباينات بيل في أزواج الفوتون لتأكيد أن عملية توليد المفتاح لم يتم التلاعب بها. في يوليو ، عرضت مجموعتان مستقلتان من الباحثين DIQKD تجريبيًا لأول مرة - في حالة واحدة عن طريق توليد 1.5 مليون زوج بيل متشابك على مدى ثماني ساعات واستخدامها لتوليد مفتاح مشترك يبلغ طوله 95 بت. على الرغم من أن معدل توليد المفاتيح يجب أن يكون أعلى لجعل DIQKD عمليًا للشبكات المشفرة في العالم الحقيقي ، فإن إثبات المبدأ مذهل.
جميع الجسيمات المتشابكة الأخرى في قائمة النقاط البارزة هذه متطابقة: الفوتونات متشابكة مع فوتونات أخرى ، أيونات مع أيونات أخرى ، ذرات مع ذرات أخرى. ولكن لا يوجد شيء في نظرية الكم يتطلب هذا النوع من التناظر ، وتعتمد فئة جديدة ناشئة من التقنيات الكمومية "الهجينة" في الواقع على خلط الأشياء. أدخل الباحثين بقيادة ارمين فيست من معهد ماكس بلانك للعلوم متعددة التخصصات في ألمانيا ، والذي أظهر في أغسطس أنه يمكن تشابك إلكترون وفوتون باستخدام ميكروسوناتور ضوئي على شكل حلقة وشعاع من الإلكترونات عالية الطاقة التي تمرر الحلقة في ظل. لهذه التقنية تطبيقات لعملية كمومية تسمى "التبشير" حيث يشير اكتشاف جسيم واحد في زوج متشابك إلى أن الجسيم الآخر متاح للاستخدام في دائرة كمومية - وهو مثال رائع على كيفية دفع التطورات الأساسية اليوم ابتكارات الغد.
حقيبة من الغرابة الكمية
أخيرًا ، كما هو معتاد (لقد فعلنا ذلك مرتين، لذلك فهو تقليد) ، لا تكتمل أي قائمة من النقاط البارزة الكمية بدون إشارة إلى كل ما هو غريب ومحير للعقل في هذا المجال. لذلك دعونا نسمعها للباحثين الأمريكيين الذين استخدموا معالجًا كميًا محاكاة النقل الآني للمعلومات من خلال ثقب دودي في الزمكان؛ مجموعة في إيطاليا وفرنسا وضعت أرقامًا صعبة على عدم القدرة على التمييز بين الفوتونات التي لا يمكن تمييزها؛ فريق دولي استخدم الانتهاكات الكمية للسببية الكلاسيكية ل فهم أفضل لطبيعة السبب والنتيجة؛ وزوجًا مقدامًا من الفيزيائيين في جامعة إدنبرة بالمملكة المتحدة ، أظهروا أن الإشارات الكمية ستكون وسيلة جيدة الأجانب المتقدمون تقنيًا لإقامة اتصال عبر المسافات بين النجوم. شكرا لإبقائك غريب الكم!
