فیزیکدانان کوانتومی در ماه اکتبر هنگامی که کمیته نوبل اعطا کرد جشن گرفتند مدتها در انتظار جایزه فیزیک به آلن اسپکت، جان کلازر و آنتون زایلینگر برای پیشگامی آنها تحقیق در مورد درهم تنیدگی کوانتومی. اما جامعه مطمئناً روی موفقیت‌های خود استراحت نکرده است، و با بسیاری از پیشرفت‌های هیجان‌انگیز دیگر در سال 2022، انتخاب تنها چند نکته مهم دشوار است. با این وجود، در اینجا نتایجی وجود دارد که در زمینه‌های سنجش کوانتومی، اطلاعات کوانتومی، محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و علوم بنیادی کوانتومی برای ما برجسته است.
در مکانیک کوانتومی، اصل تغییر مکان بیان می‌کند که یک ذره کوانتومی می‌تواند، به معنای موجی دست، در چندین مکان به طور همزمان باشد. در همین حال، اصل درهم تنیدگی بیان می‌کند که ذرات کوانتومی اتصالی را تجربه می‌کنند که به شرایط یک ذره اجازه می‌دهد تا وضعیت ذره دیگر را حتی در فواصل بسیار زیاد مشخص کند. در ماه نوامبر، فیزیکدانان JILA در کلرادو، ایالات متحده، از ترکیبی از درهم تنیدگی و مکان‌زدایی برای سرکوب نویز استفاده کردند که قبلاً تشخیص شتاب‌های زیر حد به اصطلاح کوانتومی را غیرممکن می‌کرد. این حد توسط نویز کوانتومی ذرات منفرد تعیین می‌شود و مدت‌هاست که محدودیت قابل‌توجهی در دقت حسگرهای کوانتومی بوده است. بنابراین غلبه بر آن یک گام بزرگ رو به جلو است.
ارسال اطلاعات کوانتومی از یک گره در یک شبکه به گره دیگر آسان نیست. اگر اطلاعات را در فوتون های ارسال شده به فیبر نوری رمزگذاری کنید، تلفات در فیبر وفاداری سیگنال را از بین می برد تا زمانی که غیرقابل خواندن شود. اگر در عوض از درهم تنیدگی کوانتومی برای انتقال مستقیم اطلاعات از راه دور استفاده کنید، فرآیندهای دیگری را معرفی می کنید که متأسفانه سیگنال را نیز کاهش می دهند. اضافه کردن گره سوم به شبکه، به عنوان فیزیکدانان QuTech در هلند در سال 2021 انجام داد، فقط کار را دشوارتر می کند. به همین دلیل است که محققان QuTech موفقیت قبلی خود را با انتقال اطلاعات کوانتومی از یک فرستنده (آلیس) به یک گیرنده (چارلی) از طریق یک گره میانی (باب) بسیار چشمگیر است. اگرچه وفاداری انتقال آلیس-باب-چارلی تنها 71 درصد بود، که بالاتر از حد کلاسیک 2/3 است، و دستیابی به آن مستلزم ترکیب و بهینه سازی چندین آزمایش چالش برانگیز بود. آیا گره های دیو، ادنا و فرد در سال 2023 به شبکه خواهند پیوست؟ خواهیم دید!
در صورتی که از دو مورد اول در این لیست مشخص نبود، نویز یک مشکل بزرگ در علم کوانتوم است. این به همان اندازه که برای محاسبات صادق است، برای سنجش و ارتباطات نیز صادق است، به همین دلیل است که اصلاح این خطاهای ناشی از نویز بسیار مهم است. فیزیکدانان ساخته اند چندین پیشرفت در این جبهه در سال 2022، اما یکی از مهم‌ترین آنها در ماه مه زمانی رخ داد که محققان دانشگاه اینسبروک اتریش و دانشگاه RWTH آخن در آلمان مجموعه کاملی از عملیات کوانتومی مقاوم به خطا را برای اولین بار نشان دادند. کامپیوتر کوانتومی تله یونی آنها از هفت کیوبیت فیزیکی برای ساخت هر کیوبیت منطقی، به علاوه کیوبیت های "پرچم" برای نشان دادن وجود خطاهای خطرناک در سیستم استفاده می کند. مهمتر از همه، نسخه اصلاح شده با خطای سیستم بهتر از نسخه اصلاح نشده ساده تر عمل می کند و امکانات این تکنیک را نشان می دهد.
امنیت اطلاعات، USP رمزنگاری کوانتومی است، اما اطلاعات به اندازه ضعیف ترین حلقه در زنجیره امن است. در توزیع کلید کوانتومی (QKD)، یک پیوند ضعیف بالقوه، دستگاه‌هایی هستند که برای ارسال و دریافت کلیدها استفاده می‌شوند، که در برابر هک‌های معمولی آسیب‌پذیر هستند (مثل نفوذ شخصی به یک گره و دستکاری در سیستم) حتی اگر خود کلیدها در برابر آن ایمن هستند. کوانتومی ها یکی از گزینه‌های دیگر استفاده از QKD مستقل از دستگاه (DIQKD) است که از اندازه‌گیری نابرابری‌های بل در جفت فوتون‌ها استفاده می‌کند تا تأیید کند که فرآیند تولید کلید مخدوش نشده است. در ماه ژوئیه، دو گروه مستقل از محققان DIQKD را برای اولین بار به صورت تجربی نشان دادند – در یک مورد با تولید 1.5 میلیون جفت بل درهم تنیده در یک دوره هشت ساعته و استفاده از آنها برای تولید یک کلید مشترک به طول 95 884 بیت. اگرچه نرخ تولید کلید باید بیشتر باشد تا DIQKD برای شبکه‌های رمزگذاری‌شده دنیای واقعی کاربردی باشد، اثبات اصل خیره‌کننده است.
سایر ذرات درهم‌تنیده در این فهرست برجسته همه یکسان هستند: فوتون‌های درهم‌تنیده با فوتون‌های دیگر، یون‌ها با یون‌های دیگر، اتم‌ها با اتم‌های دیگر. اما هیچ چیزی در نظریه کوانتومی وجود ندارد که به این نوع تقارن نیاز داشته باشد، و کلاس جدیدی از فناوری‌های کوانتومی «هیبرید» در حال ظهور در واقع به اختلاط چیزها متکی است. ورود محققان به رهبری آرمین فیست مؤسسه ماکس پلانک برای علوم چند رشته‌ای در آلمان، که در ماه اوت نشان داد که می‌توانند یک الکترون و یک فوتون را با استفاده از یک ریزرزوناتور نوری حلقه‌ای شکل و پرتوی از الکترون‌های پرانرژی که در یک مماس از حلقه عبور می‌کنند، در هم ببندند. این تکنیک کاربردهایی برای فرآیند کوانتومی به نام "هالدینگ" دارد که در آن تشخیص یک ذره در یک جفت درهم تنیده نشان می‌دهد که ذره دیگر برای استفاده در مدار کوانتومی در دسترس است - نمونه‌ای عالی از اینکه چگونه پیشرفت‌های بنیادی امروزی نوآوری‌های فردا را هدایت می‌کنند.
کیسه ای از عجیب و غریب کوانتومی
در نهایت، همانطور که سنتی است (ما این کار را انجام دادیم دو برابربنابراین، این یک سنت است)، هیچ فهرستی از نکات برجسته کوانتومی بدون اشاره به همه چیزهای عجیب و گیج کننده در این زمینه کامل نمی شود. بنابراین بیایید آن را برای محققان آمریکایی که از یک پردازنده کوانتومی استفاده کرده اند بشنویم شبیه سازی انتقال اطلاعات از طریق یک کرم چاله در فضا-زمان; گروهی در ایتالیا و فرانسه که اعداد و ارقام سختی را در این زمینه مطرح کردند غیر قابل تشخیص بودن فوتون های غیر قابل تشخیص; یک تیم بین المللی که از نقض کوانتومی علیت کلاسیک استفاده کرد ماهیت علت و معلول را بهتر درک کنید; و یک جفت فیزیکدان بی باک در دانشگاه ادینبورگ، بریتانیا، که نشان دادند سیگنال های کوانتومی راه خوبی برای بیگانگان از نظر فناوری پیشرفته برای برقراری تماس در فواصل بین ستاره ای ممنون از اینکه کوانتومی را عجیب نگه داشتید!
