توفر القياسات الجديدة لمحة عن المستقبل الكمي
ابتكر فريق متعدد المؤسسات طريقة فعالة لقياس الكودات عالية الأبعاد المشفرة في أمشاط التردد الكمي، وهو نوع من مصدر الفوتون، على شريحة ضوئية واحدة باستخدام الموارد التجريبية والحاسوبية المتاحة بالفعل.
على الرغم من حقيقة أن كلمة “qudit” قد تبدو خطأ مطبعي، فإن هذا النسبي الأقل شهرة للكيوبت ، أو البت الكمي، لديه القدرة على حمل المزيد من البيانات وأكثر مقاومة للضوضاء، وهما خاصيتان مهمتان مطلوبتان لتعزيز أداء الشبكات الكمومية وأنظمة توزيع المفاتيح الكمومية، وفي نهاية المطاف الإنترنت الكمي.
على عكس بتات الكمبيوتر التقليدية، التي تصنف البيانات على أنها آحاد أو أصفار، يمكن للكيوبتات الاحتفاظ بقيم واحد أو صفر أو كليهما. هذا بسبب التراكب، وهي ظاهرة تمكن العديد من الحالات الكمومية من الوجود في وقت واحد. يشير حرف “d” لقوديت إلى مجموعة متنوعة من المستويات أو القيم التي يمكن ترميزها على الفوتون. تحتوي الكيوبتات التقليدية على مستويين فقط، ولكن بإضافة المزيد من المستويات، فإنها تصبح وحدات qudits.
من اليسار، يعمل Hsuan-Hao Lu و Joseph Lukens في مختبر الكم ORNL. الائتمان: جينيفيف مارتن / ORNL، وزارة الطاقة الأمريكية
أكمل باحثون من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان، أو EPFL، وجامعة بوبوردو،مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، مؤخرًا توصيف زوج متشابك من الكودات المكونة من ثمانية مستويات والتي شكلت فضاء كمي 64 بعدًا، مما أدى إلى مضاعفة أربعة أضعاف السجل السابق لأوضاع التردد المنفصلة. نُشرت النتائج التي توصلوا إليها مؤخرًا في مجلة Nature Communications .
قال Hsuan-Hao Lu ، “لقد عرفنا دائمًا أنه من الممكن ترميز 10 أو 20 مستوى أو حتى أعلى باستخدام ألوان الفوتونات أو الترددات الضوئية، لكن المشكلة هي أن قياس هذه الجسيمات صعب للغاية”. باحث ما بعد الدكتوراه في ORNL. “هذه هي قيمة هذه الورقة – وجدنا تقنية فعالة وجديدة يسهل تنفيذها نسبيًا على الجانب التجريبي.”
يصعب قياس Qudits عندما تكون متشابكة، مما يعني أنها تشترك في الارتباطات غير الكلاسيكية بغض النظر عن المسافة المادية بينهما. على الرغم من هذه التحديات، فإن أزواج حاويات التردد – مجموعتان في شكل فوتونات متشابكة في تردداتها – مناسبة تمامًا لنقل المعلومات الكمومية لأنها يمكن أن تتبع مسارًا محددًا عبر الألياف الضوئية دون أن يتم تعديلها بشكل كبير من قبل بيئتها.
“لقد قمنا بدمج أحدث إنتاج من حاويات التردد مع أحدث مصادر الضوء، ثم استخدمنا تقنيتنا لوصف تشابك كوديت عالي الأبعاد بمستوى من الدقة لم يظهر من قبل، قال جوزيف لوكنز ، زميل Wigner وعالم الأبحاث في ORNL.
بدأ الباحثون تجاربهم عن طريق تسليط الليزر في مرنان الحلقة الدقيقة – وهو جهاز دائري على رقاقة ملفقة بواسطة EPFL ومصمم لتوليد ضوء غير كلاسيكي. يشغل مصدر الفوتون القوي هذا مساحة مليمتر مربع – يمكن مقارنتها في الحجم بنقطة قلم رصاص حاد – ويسمح للفريق بتوليد أزواج حاوية تردد في شكل أمشاط تردد كمي.
عادةً ما تتطلب تجارب qudit من الباحثين بناء نوع من الدوائر الكمومية يسمى بوابة الكم. لكن في هذه الحالة، استخدم الفريق مُعدِّل الطور الكهروضوئي لخلط ترددات مختلفة من الضوء ومشكل نبضي لتعديل مرحلة هذه الترددات. تمت دراسة هذه التقنيات على نطاق واسع في مختبر البصريات فائقة السرعة واتصالات الألياف الضوئية بقيادة أندرو وينر في بوردو، حيث درس لو قبل الانضمام إلى ORNL.
هذه الأجهزة البصرية شائعة في صناعة الاتصالات، وقد أجرى الباحثون هذه العمليات بشكل عشوائي لالتقاط العديد من ارتباطات التردد المختلفة. وفقًا لـ Lu ، فإن هذه العملية تشبه دحرجة زوج من نرد سداسي الجوانب وتسجيل عدد المرات التي تظهر فيها كل مجموعة من الأرقام – ولكن الآن أصبح النرد متشابكًا مع بعضهما البعض.
قال وينر: “هذه التقنية، التي تشتمل على مُعدِّلات الطور وتشكيل النبضات، يتم متابعتها بشكل كبير في السياق الكلاسيكي لمعالجة الإشارات الضوئية فائقة السرعة وعريضة النطاق، وقد تم توسيعها لتشمل المجال الكمي لأعدادات التردد”.
للعمل للخلف واستنتاج الحالات الكمية التي أنتجت ارتباطات ترددية مثالية لتطبيقات qudit ، طور الباحثون أداة لتحليل البيانات بناءً على طريقة إحصائية تسمى الاستدلال البايزي وأجروا عمليات محاكاة حاسوبية في ORNL. يعتمد هذا الإنجاز على عمل الفريق السابق الذي يركز على إجراء تحليلات بايز وإعادة بناء الحالات الكمومية.
يقوم الباحثون الآن بضبط طريقة القياس الخاصة بهم للتحضير لسلسلة من التجارب. من خلال إرسال إشارات عبر الألياف الضوئية، يهدفون إلى اختبار بروتوكولات الاتصال الكمي مثل النقل الآني، وهي طريقة لنقل المعلومات الكمية، ومبادلة التشابك، وهي عملية تشابك جسيمين غير مرتبطين سابقًا.
يخطط كارثيك مايلسوامي ، وهو طالب دراسات عليا في جامعة بيرديو ، لإحضار مرنان الحلقة الدقيقة إلى ORNL، مما سيمكن الفريق من اختبار هذه القدرات على شبكة المنطقة المحلية الكمومية للمختبر.
قال مايلسوامي: “الآن بعد أن أصبح لدينا طريقة لتوصيف كفاءات التردد المتشابك بكفاءة، يمكننا إجراء تجارب أخرى موجهة للتطبيق”.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
