النقل البُعدي الكمومي Quantum teleportation، أوentanglement-assisted teleportation، هي عملية by which a qubit (the basic unit of quantum information) can be transmitted exactly (in principle) from one location to another, without the qubit being transmitted through the intervening space. It is useful for quantum information processing, however it does not immediately transmit classical information, and therefore cannot be used for communication at superluminal (faster than light) speed. Quantum teleportation is unrelated to the common term teleportation - it does not transport the system itself, and does not concern rearranging particles to copy the form of an object.

أصبح حلم الخيال الفهمي في "بث" الأمور من مكان إلى

آخر أمرا واقعا ـ على الأقل بالنسبة إلى جسيمات الضوء.

أ. زايلنگر

المشهد مشهد مألوف من مشاهد أفلام وتلفزة الخيال الفهمي: جماعة جسورة من المستكشفين تدخل حجرة خاصة، فتومض الأضواءُ وتصدح التأثيرات الصوتية ويختفي أبطالنا من الوجود ليظهروا على سطح كوكب بعيد. هذا هوحلم النقل (الانتنطق) البعدي teleportation ـ أي المقدرة على الانتنطق من مكان إلى آخر من دون الاضطرار لبتر المسافات الطويلة المملة بينهما، وذلك باستخدام وسيلة نقل مادية خاصة. ومع حتى النقل البعدي للأجسام الكبيرة أوللبشر لا يزال أمرا خياليّا إلا حتى النقل البعدي الكمومي صار حقيقة مختبرية بالنسبة إلى الفوتونات: جسيمات الضوء المفردة.

يستغل النقل البعدي الكمومي بعضا من الخواص الأساسية جدا والغريبة للميكانيك الكمومي، ذلك الفرع من الفيزياء الذي اختُرع في الربع الأول من القرن العشرين لتفسير السيرورات التي تحدث على مستوى الذرات المفردة. وقد استوعب النظريون منذ البداية حتى الفيزياء الكمومية أدت إلى فيض من الظواهر الجديدة التي يتحدى بعضها الحس السليم. وقد مكّن التقدم التقاني في الربع الأخير من القرن العشرين الباحثين من إجراء كثير من التجارب التي لا تبين فقط الجوانب الأساسية، والغريبة أحيانا، للميكانيك الكمومي وإنما تطبقها أيضا، كما في حالة النقل البعدي الكمومي، وذلك للتوصل إلى أمور فذَّة لم يكن بالمستطاع تصورها فيما مضى.

في قصص الخيال الفهمي يتيح النقل البعدي عادة السفر بصورة آنية instantaneous مما يخرق حد السرعة الذي وضعه آينشتاين في نظرية النسبية والقائل إنه لا يمكن لأي شيء حتى ينتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء [انظر: "أسرع من الضوء؟"، مجلة العلوم، العدد 2 (1995) ، ص 58]. والنقل البعدي أقل إزعاجا من أية وسيلة عادية للرحلات الفضائية. وينطق إذا G. رودنْبِرِي ، مبدع الهجرة إلى النجوم Star Trek، اعتبر "الحزمة الضوئية الناقلة" وسيلة للاقتصاد في تكاليف محاكاة الهبوط على كواكب غريبة والإقلاع منها.

تختلف إجراءات النقل البعدي في الخيال الفهمي من سيرة إلى أخرى، لكنها تسير بصورة عامة كما يلي: يعمل جهاز على مسح scan الشيء الأصلي لكي يستخلص جميع المعلومات اللازمة لتوصيفه. ثم يقوم جهاز إرسال ببث المعلومات إلى محطة الاستقبال حيث تستخدم للحصول على نسخة دقيقة من الأصل. وفي بعض الحالات تُرسل المادة التي يتكون منها الأصل أيضا إلى محطة الاستقبال، من الممكن على شكل "طاقة" من نوع ما، وفي حالات أخرى تصنع النسخة من الذرات والجزيئات الموجودة أصل في محطة الاستقبال.

يبدوحتى الميكانيك الكمومي يحول، من حيث المبدأ، دون تحقيق النقل البعدي. ذلك حتى مبدأ الارتياب (عدم التحديد) لهايزنبرگ يقتضي أنه لا يمكن فهم الموضع الدقيق لجسم ما وزخمه momentum في الوقت نفسه، ومن ثم لا يمكن إجراء مسح تام للشيء المراد نقله نقل بعديا، إذ إذا مسقط أوسرعة جميع ذرة وإلكترون سيكون عرضة للخطأ. ولما كان مبدأ الارتياب لهايزنبرگ يطبق أيضا على أزواج أخرى من المقادير فإنه يستحيل قياس الحالة الكمومية الكلية بدقة لأي شيء بصورة مؤكدة، فهما حتى مثل هذه القياسات ضرورية للحصول على المعلومات اللازمة لوصف الأصل وصفا دقيقا. (أما في "هجرة إلى النجوم" فإن "معوّض هايزنبرگ" Heisenberg Compensator يتغلب بصورة ما، أشبه بالمعجزة، على هذه الصعوبة.)

وفي عام 1993 قلب فريق من الفيزيائيين هذه الحكمة التقليدية حين اكتشف طريقة لاستخدام الميكانيك الكمومي نفسه في النقل البعدي. وقد عثر الفريق المكوّن من H .C. بينيت [من شركة IBM] وG. براسار وC. كريپو و<. جوزا [من جامعة مونتريال] وA. بيريز [من معهد تخنيون التقاني] وK .W. ووتَّرز [من كلية وليامز] حتى خاصة غريبة إنما أساسية من خواص الميكانيك الكمومي، وهي التشابك entanglement، يمكن حتى تستخدم للالتفاف حول القيود التي يضعها مبدأ الارتياب لهايزنبرگ دون خرقه.

تشابك

نحن في عام 2100، وقد أحضر لك صديق، يهوى اللعب بالفيزياء والحيل المسلية، مجموعة من أزواج حجر النرد. وطلب إليك حتى ترميها مرة واحدة، جميع زوج وحده. تمسك بحذر بالزوج الأول وأنت تتذكر الإخفاق التام بالنسبة إلى الثقب الأسود المكروي في عيد الميلاد (1999). وأخيرا ترمي حجري النرد وتحصل على ثلاثة مزدوجة. ثم ترمي الزوج الثاني فتجدستة مزدوجة. ثم التالي: 1 مزدوج. الحجران يتماثلان دائما.

تسلك أحجار النرد في هذه الحكاية وكأنها جسيمات كمومية متشابكة. فكل حجر بمفرده عشوائي ولا عيب فيه لكن شريكه المتشابك معه يعطي دائما، بطريقة ما، الرقم نفسه الذي يعطيه الحجر الأول. وقد بُرهن على مثل هذا السلوك ودُرس دراسة مكثفة بالنسبة إلى جسيمات متشابكة حقيقية. ففي تجارب نموذجية تقوم أزواج من الذرات أوالأيونات أوالفوتونات مقام حجري النرد، وتقوم خواص مثل الاستقطاب مقام أوجه حجر النرد المتنوعة.

لننظر في حالة فوتونين استقطاباهما متشابكان. فهما عشوائيان إنما متطابقان. تتألف الحزم الضوئية، وحتى الفوتونات المفردة، من اهتزازات الحقول الكهرمغنطيسية، ويشير الاستقطاب إلى تراصف اهتزازات الحقل الكهربائي [انظر الشكل العلوي في الصفحة 40]. فرضا حتى لدى الآنسة سمر أحد الفوتونين المتشابكين وأن لدى السيد أحمد شريكه الآخر. حين تقيس سمر فوتونها لترى إذا كان مستقطبا بصورة شاقولية أوأفقية فإن لكل نتيجة قياس احتمال قدره 50 في المئة. ولدى فوتون أحمد الاحتمالان نفساهما، لكن التشابك يؤمّن له الحصول على نتائج سمر نفسها بالضبط. فحالما تحصل سمر على النتيجة "أفقي" مثل تعهد حتى فوتون أحمد سيكون مستقطبا استقطابا أفقيّا. أما قبل حتى تجري سمر القياس فلم يكن لأي من الفوتونين استقطاب خاص؛ والحالة المتشابكة تحدد فقط حتى قياسا ما سيجد حتى الاستقطابين متساويان.

والسمة المدهشة لهذه السيرورة هي أنه ليست هناك أية أهمية لكون سمر وأحمد بعيدا أحدهما عن الآخر، فالعملية تسير مادام تشابك فوتونيهما قائما. وحتى لوكانت سمر على نجم ألفا قنطورس وكان أحمد على كوكب الأرض فإن نتائجهما ستتفق حين يقارنان فيما بينها. ففي جميع مرة تجري الأمور كما لوحتى فوتون أحمد يتأثر بصورة سحرية بالقياس الذي تجريه سمر من مسافة بعيدة، والعكس بالعكس.

ويمكنكم حتى تتساءلوا فيما لوكان بالإمكان حتى نفسر التشابك بأن نتخيل حتى جميع جسيم يحمل في داخله بعض التعليمات المسجلة. لعلنا حين نشابك الجسيمين فإننا نزامن آلية خفية ما في داخلهما تحدد النتائج التي سيعطيانها حين يجري القياس عليهما. وسيكون ذلك كافيا لتفسير الأثر الغامض للقياس الذي تجريه سمر في جسيم أحمد. إلا حتى الفيزيائي الإيرلندي < J. بِل> قدم في الستينات من القرن العشرين مبرهنة تقول إذا مثل هذا التفسير المعتمد على "المتحولات الخفية" ينبغي حتى يؤدي في حالات معينة إلى نتائج مختلفة عن تلك التي يتنبأ بها الميكانيك الكمومي المتعارف (السائد). وقد أثبتت التجارب تسقطات الميكانيك الكمومي بدقة عالية جدّا.

وكان الفيزيائي النمساوي <E. شرودينگر>، أحد مبتكري الميكانيك الكمومي، قد وصف التشابك بأنه "السمة الرئيسية" للفيزياء الكمومية. وكثيرا ما يدعى التشابك "الأثر (المفعول) EPR" وتدعى الجسيمات "أزواج EPR" نسبة إلى جميع من آينشتاين و< B. بودولسكي> و< N. روزِن> الذين حللوا في عام 1935 مظاهر التشابك المؤثر عبر مسافات كبيرة. وكان آينشتاين يتحدث عنه وكأنه "عمل شبحي عن بعد". فلوحاول أحد حتى يفسر النتائج على أنها إشارات تنتقل بين الفوتونين لكان على الإشارات حتى تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء. وقد تساءل كثيرون، بطبيعة الحال، عما إذا كان من الممكن استعمال هذا الأثر لنقل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء.

ولكن للأسف فإن القواعد الكمومية لا تسمح بذلك. فكل قياس محلي يجري على فوتون منعزل، يُنتج نتيجة عشوائية تماما ولا يحمل من ثم أية معلومات من المسقط البعيد. وهولا يخبرنا إلا بما يمكن حتى تكون عليه احتمالات نتيجة القياس البعدي اعتمادا على ما تم قياسه هناك. ومع ذلك يمكننا حتى نستفيد من التشابك بطريقة بارعة للوصول إلى النقل البعدي الكمومي.

الاستفادة من الفوتونات المتشابكة

يخطط أحمد وسمر للقيام بعملية نقل بعدي لفوتون، ولدى التحضير لذلك يتشاركان في زوج مساعد متشابك من الفوتونات فتأخذ سمر الفوتون A، في حين يأخذ أحمد الفوتون B. وبدل من إجراء قياس عليهما يقوم جميع منهما بخزن فوتونه من دون حتى يشوش حالة التشابك المرهفة [انظر الشكل العلوي في الصفحة 42].

تملك سمر، في الوقت المناسب، فوتونا ثالثا ـ ولنسمّه الفوتون X ـ ترغب حتى تنقله نقل بعديّا إلى أحمد. وهي لا تعهد ما حالة الفوتون X، ومع ذلك ترغب حتىقد يكون لدى أحمد فوتون بالاستقطاب نفسه الذي لـ X. إلا أنها لا تستطيع ببساطة حتى تقيس استقطاب الفوتون وترسل النتيجة إلى أحمد، لأن نتيجة قياسها، على العموم، لن تكون مطابقة لحالة الفوتون الأصلية. وهذه نتيجة لمبدأ الارتياب لهايزنبرگ.

وبدل من ذلك تقوم سمر، لنقل الفوتون X نقل بعديّا، بإجراء قياس عليه وعلى الفوتون A معا من دون حتى تحدد استقطاب جميع منهما على حدة. وقد تجد، على سبيل المثال، حتى استقطابيهما "متعامدان" (لكنها تظل جاهلة بالاستقطاب المطلق لأي منهما على أية حال). ومن الناحية الفنية يدعى القياس المشهجر للفوتونين A وX قياس حالة بِل. ويولّد القياس الذي أجرته سمر أثرا خفيّا: فهويغير فوتون أحمد بصورة يصبح معها متناسبا مع تآلف يجمع بين نتيجة قياسها وبين الحالة التي كان فيها الفوتون X أصل. وفي الحقيقة يحمل فوتون أحمد الآن حالة فوتون سمر X، إما بالضبط أوبصورة معدلة بطريقة بسيطة.

يمكن حتى يبدأ النقل البعدي الكمومي لشخص ما (وهوأمر محال عمليّا لكنه مثال جيد لمساعدة التخيل) بوضعه داخل حجرة القياس (في اليسار) وإلى جانبه كتلة مساوية من المادة المساعدة (الأخضر)، بعد حتى تكون المادة المساعدة قد شبكت كموميا بنظيرتها الموجودة في محطة الاستقبال البعيدة (في اليمين)

ولإتمام عملية النقل البعدي يجب حتى ترسل سمر إلى أحمد، رسالة تنقل بالطرق العادية، مثل اتصال هاتفي أوملاحظة مكتوبة على قصاصة من الورق. ويستطيع أحمد، إذا لزم الأمر بعد حتى يتلقى هذه الرسالة، حتى يحول الفوتون B بحيث يصبح في النهاية نسخة مطابقة تماما للفوتون X الأصلي. أما التحويل الذي ينبغي لأحمد حتى يجريه فيتوقف على نتيجة قياس سمر.

وهناك أربعة إمكانات تقابل أربع علاقات كمومية بين الفوتونين A وX. وأحد التحويلات النموذجية التي ينبغي لأحمد حتى يجريها على فوتونه هوتغيير استقطابه 90 درجة، وهذا ما يمكن عمله بإمرار الفوتون عبر بلورة تتمتع بالخواص الضوئية المناسبة.

أما النتيجة التي تحصل عليها سمر من الإمكانات الأربع فهي أمر عشوائي تماما ومستقل عن حالة X الأصلية. لذلك فإن أحمد لا يعهد كيف من الممكن أن يعالج فوتونه ما لم يحصل على نتيجة قياس سمر. ويمكن القول إذا فوتون أحمد يحوي آنيا جميع المعلومات، من فوتون سمر الأصلي، التي انتقلت إليه بوساطة الميكانيك الكمومي. وعلى أحمد، لكي يعهد كيف من الممكن أن يقرأ هذه المعلومات، حتى ينتظر وصول المعلومات الكلاسيكية، المؤلفة من بتتين bits لا تستطيعان الانتنطق بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

يمكن للمرتابين (الشكوكيين) حتى يدّعوا حتى الشيء الوحيد الذي نقل نقل بعديّا هوحالة استقطاب الفوتون، أوبصورة أعم، حالته الكمومية، وليس الفوتون "نفسه". ولكن لما كانت الحالة الكمومية لفوتون ما هي مواصفاته المميزة له، فإن النقل البعدي لحالته مكافئ تماما لنقل الجسيم بعديّا [انظر ما مؤطر في الصفحة 45].

لنلاحظ أنه لا تنتج من النقل البعدي الكمومي نسختان من الفوتون X. ويمكن نسخ المعلومات الكلاسيكية قدر ما نريد من المرات، لكن النسخ الكامل (طبق الأصل) للمعلومات الكمومية محال، وهذا ما يعهد بمبرهنة عدم الاستنساخ no-cloning، وكان قد أثبتها <ووتّرز> و<H .W. زوريك> [من مختبر لوس ألاموس الوطني] في عام 1982. (لوكان بإمكاننا استنساخ حالة كمومية لتمكنا من استخدام المستنسخات لخرق مبدأ هايزنبرگ).

الالتفاف حول هايزنبرگ

إضافة إلى ذلك فإن حالة الفوتون X حُوِّلت إلى أحمد دون حتى تعهد سمر أويعهد أحمد ماهية هذه الحالة. فنتيجة قياس سمر لا تُعْلِمهما أي شيء عن الحالة مادامت نتيجة عشوائية تماما. وهذه هي الكيفية التي تلتف بها العملية حول مبدأ هايزنبرگ الذي يمنعنا من تحديد الحالة الكمومية التامة لجسيم ما، ولكنه لا يحول دون النقل البعدي للحالة التامة ما دمنا لا نحاول حتى نرى ما هي هذه الحالة!

وكذلك فإن المعلومات الكمومية المنقولة بعديّا لا تنتقل ماديا من سمر إلى أحمد. فكل ما ينتقل ماديا هوالرسالة حول نتيجة قياس سمر التي تخبر أحمد كيف من الممكن أن ينبغي حتى يعالج فوتونه ولكنها لا تحمل أية معلومات حول حالة الفوتون X نفسه

وفي حالة واحدة من أربع حالات تكون سمر محظوظة بقياسها ويصبح فوتون أحمد في الحال نسخة مطابقة لفوتون سمر الأصلي. يمكن حتى يظهر الأمر وكأن المعلومات انتقلت آنيا من سمر إلى أحمد متجاوزة حد آينشتاين للسرعة. ومع ذلك فإن هذه الصفة الغريبة لا يمكن حتى تستخدم لإرسال المعلومات، لأنه ليست لدى أحمد أية وسيلة لفهم حتى فوتونه صار نسخة مطابقة. وعندما يعهد أحمد نتيجة قياس سمر لحالة بِل، هذه النتيجة التي ترسل إليه بالوسائل الكلاسيكية، عندئذ فقط يستطيع استغلال المعلومات في الحالة الكمومية المنقولة بُعديا. فرضا أنه يحاول حتى يخمّن الحالات التي كان فيها النقل البعدي ناجحا في الحال. سيخطئ في 75 في المئة من تخميناته ولن يعهد أية تخمينات كانت سليمة. وإذا استخدم الفوتونات معتمدا على مثل هذه التخمينات فستكون النتائج مماثلة لتلك التي كان يحصل عليها فيما لوأخذ حزمة من الفوتونات استقطاباتها عشوائية. إلى غير ذلك تنتصر نسبية آينشتاين، إذ يفشل العمل الشبحي الآني الكمومي عن بعد في إرسال معلومات مفيدة بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

يمكن حتى يظهر المقترح النظري الموصوف آنفا وكأنه رَسمَ مخططا واضحا لبناء ناقل بعدي teleporter، لكنه على العكس من ذلك قدم تحديّا تجريبيّا كبيرا. لقد أصبح إنتاج أزواج متشابكة من الفوتونات عمل روتينيا في التجارب الفيزيائية في العقد الماضي، لكن إجراء قياس حالة بِل على فوتونين مستقلين لم يسبق له حتى نفّذ قط من قبل.

بناء ناقل بُعدي

إن إحدى الطرائق الفعالة لإنتاج أزواج متشابكة من الفوتونات هي التحويل التخفيضي الوسيطي التلقائي spontaneous parametric down-conversion: إذا مرر فوتون مفرد عبر بلورة خاصة فإنه يولّد أحيانا فوتونين جديدينقد يكونان متشابكين بحيث يبديان استقطابين متعاكسين حين يقاسان [انظر الشكل العلوي في الصفحة 41].

زاوية المرتابين

إجابات المؤلف عن الأسئلة المألوفة المتعلقة بالنقل البعدي

ألَيْس من المبالغة حتى ندعوهذا نقل بعديّا،يا ترى؟ فما نُقل نقل بعديّا، في نهاية المطاف ليس سوى حالة كمومية وليس جسما حقيقيّا. يطرح هذا السؤالُ السؤالَ الفلسفي الأعمق حول ما نعنيه بالهوية. فكيف نعهد حتى شيئا ما ـ وليكن السيارة التي نجدها في مرآبنا صباحا ـ هوالشيء نفسه الذي رأيناه منذ برهة خلت،يا ترى؟ مادام له جميع الأوصاف والخواص السليمة. إذا الفيزياء الكمومية تؤكد هذه النقطة: فالجسيمات من النوع نفسه وفي الحالة الكمومية ذاتها لا متمايزة حتى من حيث المبدأ. فلواستطاع المرء مقايضة ذرات الحديد في السيارة بذرات حديد من كومة خامات وتمكَّن من إعادة تشكيل الحالات الكمومية للذرات بالضبط لكانت النتيجة النهائية مطابقة، في أعمق المستويات، للسيارة الأصلية. فالهوية لا يمكن حتى تعني أكثر مما يلي: حتىقد يكون الشيء مماثل في جميع خواصه.

أَلَيْس الأمر أشبه "بالفاكس الكمومي"،يا ترى؟ إذا إرسال فاكس يولد نسخة يسهل تمييزها عن الأصل، في حين لا يمكن تمييز الشيء المنقول نقل بعديّا حتى من حيث المبدأ. أضف إلى ذلك حتى الأصل يجب حتى يُدمر في حالة النقل البعدي الكمومي.

هل يمكن حتى نأمل بالعمل بنقل شيء معقّد نقل بعديّا،يا ترى؟ هناك الكثير من العوائق الصعبة. أول يجب حتىقد يكون الشيء في حالة كمومية صافية، ومثل هذه الحالات هشة جدا. لا تتآثر الفوتونات مع الهواء كثيرا، ولذلك يمكن حتى نجري تجاربنا في أمكنة مفتوحة، لكن التجارب التي تستخدم الذرات والأجسام الكبيرة يجب حتى تجرى في الخلاء vacuum لتجنب التصادمات مع جزيئات الغاز. أضف إلى ذلك أنه حدثا كان الجسم كبيرا كان من الأسهل إحداث اضطراب في حالته الكمومية. إذا كتلة صغيرة جدّا من المادة يمكن حتى يسبب اضطرابها حتى الإشعاع الحراري الصادر عن جدران الأجهزة. وهذا هوالسبب في أننا لا نرى عادة الآثار الكمومية في عالمنا اليومي.

لقد بُرهن تجريبيّا على التداخل الكمومي، وهوأثر توليده أسهل من التشابك أوالنقل البعدي، باستخدام الكرات المؤلفة من 60 ذرة كربون. ومثل هذا العمل يفترض أن يتطور نحوأجسام أكبر، من الممكن حتى الڤيروسات الصغيرة، ولكن لا تحبسوا أنفاسكم وتظنوا أنه يمكن حتى يكرر باستخدام أجسام في حجم كرات القدم!

والمشكلة الأخرى هي قياس حالة بِل. ماذا يمكن حتى يعني إجراء قياس حالة بِل على ڤيروس مؤلف من 107 ذرة مثل،يا ترى؟ كيف من الممكن أن يمكن حتى نستخلص 108 من بتات المعلومات التي يولدها مثل هذا القياس،يا ترى؟ أما بالنسبة إلى جسم لا يتعدى عدة غرامات فيصبح العدد محال: 1024 بتة من البيانات.

هل سيتطلب النقل البعدي للإنسان الدقة الكمومية،يا ترى؟ لا يظهر حتى كون إنسان ما في الحالة الكمومية نفسها أمر ضروري لأنقد يكون هوالشخص ذاته. فنحن نغير حالاتنا طوال الوقت ونبقى الأشخاص ذاتها ـ على الأقل بقدر ما نفهم! وعلى العكس من ذلك فإن التوأمين المتطابقين، أوالنسيلتين البيولوجيتين، ليسا "الشخص ذاته" لأن لديهما ذاكرتين مختلفتين. فهل يمنعنا ارتياب هايزنبرگ من نسخ إنسان بصورة دقيقة تكفي لأن تجعله يعتقد أنه مثل الأصل تماما،يا ترى؟ لا أحد يفهم. من المثير للاهتمام على أية حال حتى مبرهنة عدم الاستنساخ الكمومية تمنعنا من خلق نسخ كاملة الدقة من إنسان ما.

لا شك في أننا قد نستطيع استخدام التقانة المتوفرة حاليا للنقل البعدي للحالات الأولية elementary، كمثل حالات الفوتون في تجربتنا، عبر مسافات تبلغ عدة كيلومترات، وقد نوصلها إلى السواتل (الأقمار الصنعية). فالتقانة التي تسمح بنقل حالات الذرات المفردة متاحة الآن: فقد برهنت المجموعة التي يقودها < S. آروش> في المدرسة العليا للأساتذة في باريس على تشابك الذرات. ومن المعقول حتى نتسقط تشابك الجزيئات ومن ثم نقلها نقل بعديّا خلال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. أما ما يحدث بعد ذلك فمتروك لخيال من يشاء.

قد يحدث مجال الحوسبة الكمومية أحد أبرز تطبيقات النقل البعدي، حيث يعمَّم المفهوم العادي للبتات (الأصفار والواحدات) إلى البتات الكمومية qubits، التي يمكن حتى توجد بشكل تراكبات وتشابكات من الأصفار والواحدات. وربما أمكن استخدام النقل البعدي لتبادل المعلومات الكمومية فيما بين المعالِجات الكمومية. كما يمكن للنواقل البعدية الكمومية حتى تقوم بدور مكونات أساسية لبناء حاسوب كمومي [انظر ما مؤطر في الصفحة 46].

ربما كان الميكانيك الكمومي إحدى أعمق النظريات التي اكتُشِفت حتى الآن. وقد دفعت المسائل التي يطرحها أمام حدسنا اليومي بآينشتاين إلى انتقاد الميكانيك الكمومي بشدة. فقد كان يصر على حتى مهمة الفيزياء هي محاولة فهم وإدراك الواقع القائم مستقل عن رصدنا له. ومع ذلك فقد كان يعهد جيدا أننا سنقع في مشكلات عميقة عندما نحاول إعطاء حقيقة فيزيائية لكل فرد من الزوج المتشابك. أما نظيره الفذ، الفيزيائي الدنمركي <N. بور>، فقد كان يصر على ضرورة أخذ المنظومة جميعها بعين الاعتبار ـ أي ترتيب جميع الجسيمين معا في حالة الزوج المتشابك. وما أمنية آينشتاين في حتى تكون لكل جسيم حالة حقيقية مستقلة سوى شيء خال من أي معنى

الحواسيب الكمومية

لعل أكثر تطبيقات النقل البعدي الكمومي واقعية ـ عدا البحث الفيزيائي البحت ـ هوفي مجال الحوسبة الكمومية.إن الحاسوب الرقمي العادي يتعامل مع البتات التي تأخذ إحدى قيمتين محددتين 0 أو1، لكن الحاسوب الكمومي يستخدم البتات الكمومية [انظر: "الحوسبة الكمومية باستخدام الجزيئات"،مجلة العلوم، العددان 8/9 (1999) ، ص 36]. يمكن للبتات الكمومية حتى تكون في تراكبات كمومية من 0 و1 تماما مثلما يمكن للفوتون حتىقد يكون في تراكب من الاستقطابين الأفقي والشاقولي. وفي الواقع يبث الناقل البعدي الكمومي الأساسي، لدى إرسال فوتون مفرد، بتة كمومية واحدة من المعلومات.

قد تبدوتراكبات الأعداد غريبة، لكن كما نطق عنها <R. لانداور> من الشركة IBM: "حين كنا أطفال صغارا كنا نتفهم كيف من الممكن أن نعدّ على أصابعنا الدبقة الكلاسيكية، ولم نكن نعهد شيئا عن الميكانيك الكمومي وعن التراكبات، فاكتسبنا الحدس الخاطئ، واعتقدنا حتى المعلومات كلاسيكية. وظننا أنه بإمكاننا حمل ثلاث أصابع، ثم أربع. ولم نكن ندرك أنه يمكن حتىقد يكون هناك تراكب منهما معا."

يمكن للحاسوب الكمومي حتى يؤثر في تراكب الكثير من المدخلات المتنوعة دفعة واحدة. فهو، على سبيل المثال، يمكن حتى يشغّل خوارزمية algorithm لمليون من المدخلات في آن واحد مستخدما عددا من البتات الكمومية يساوي عدد البتات التي يحتاج إليها حاسوب عادي لتشغيل الخوارزمية مرة واحدة في مدخل واحد. وقد برهن النظريون على حتى الخوارزميات المُشغَّلة على الحواسيب الكمومية يمكنها حتى تحل بعض المسائل بصورة أسرع (أي في عدد أقل من المراحل الحاسوبية) مما تستطيعه أية خوارزمية معروفة تُشَغَّل على حاسوب كلاسيكي. وتشتمل هذه المسائل على إيجاد مفردات في قاعدة البيانات وتحليل الأعداد الكبيرة إلى عوامل، مما له أهمية كبيرة في فك الكودات السرية.

ولم تُبْنَ حتى الآن سوى العناصر البدائية جدّا من الحواسيب الكمومية: بوابات منطقية يمكنها حتى تعالج بتة كمومية واحدة أواثنتين. ولا يزال خلق حاسوب كمومي صغير أمرا بعيد المنال. فإحدى المشكلات الأساسية هي نقل البيانات الكمومية نقل موثوقا بين مختلف البوابات المنطقية أوالمعالجات سواء كان ذلك داخل حاسوب كمومي واحد أوعبر شبكات كمومية. والنقل البعدي الكمومي هوأحد الحلول.

وإضافة إلى ما تجاوز فقد برهن D. گوتِسْمان [من الشركة مايكروسوفت]

وL .I تشوانگ [من الشركة IBM] حديثا حتى حاسوبا كموميّا عمومي الغرض general-purpose quantum computer يمكن حتى يُبنى من ثلاثة مكونات أساسية: جسيمات متشابكة ونواقل بعدية كمومية وبوابات تعمل على بتة كمومية واحدة جميع مرة. توفر هذه النتيجة طريقة منهجية لبناء بوابات تعمل على بتتين كموميتين. إذا الأساس في بناء بوابة بتتين كموميتين من ناقل بعدي هوالنقل البعدي لبتتين كموميتين من مدخل البوابة إلى مخرجها باستخدام الأزواج المتشابكة المعدّلة بعناية. تعدَّل الأزواج المتشابكة بطريقة يَستقبل فيها مخرج البوابة البتات الكمومية المعالجة معالجة مناسبة. إلى غير ذلك يُختزل إجراء المنطق الكمومي على بتتين كموميتين مجهولتين إلى مهمة تحضير حالات متشابكة معينة تجاوز تحديدها، يليها النقل البعدي. ومما لا ريب فيه حتى قياس حالة بِل الكامل، الضروري للنقل البعدي الناجح 100 في المئة، هونفسه نوع من معالجة البتتين الكموميتين.

Further details

The proposed channel Φ can be described more explicitly. To begin teleportation, Alice performs a local measurement on the two subsystems (1 and 2) in her possession. Assume the local measurement have effects

${\displaystyle {F_{i ={M_{i ^{2 .$

If the measurement registers the i-th outcome, the overall state collapses to

${\displaystyle (M_{i \otimes I)(\rho \otimes \omega )(M_{i \otimes I).$

The tensor factor in ${\displaystyle (M_{i \otimes I)$ is ${\displaystyle 12\otimes 3$ while that of ${\displaystyle \rho \otimes \omega$ is ${\displaystyle 1\otimes 23$. Bob then applies a corresponding local operation Ψ_i on system 3. On the combined system, this is described by

${\displaystyle (Id\otimes \Psi _{i )(M_{i \otimes I)(\rho \otimes \omega )(M_{i \otimes I).$

where Id is the identity map on the composite system ${\displaystyle 1\otimes 2$.

Therefore the channel Φ is defined by

${\displaystyle \Phi (\rho \otimes \omega )=\sum _{i (Id\otimes \Psi _{i )(M_{i \otimes I)(\rho \otimes \omega )(M_{i \otimes I)$

Notice Φ satisfies the definition of LOCC. As stated above, the teleportation is said to be successful if, for all observable O on Bob's system, the equality

${\displaystyle \langle \Phi (\rho \otimes \omega ),I\otimes O\rangle =\langle \rho ,O\rangle$

holds. The left hand side of the equation is:

${\displaystyle \sum _{i \langle (Id\otimes \Psi _{i )(M_{i \otimes I)(\rho \otimes \omega )(M_{i \otimes I),\;I\otimes O\rangle$

${\displaystyle =\sum _{i \langle (M_{i \otimes I)(\rho \otimes \omega )(M_{i \otimes I),\;I\otimes \Psi _{i ^{* (O)\rangle$

where Ψ_i* is the adjoint of Ψ_i in the Heisenberg picture. Assuming all objects are finite dimensional, this becomes

${\displaystyle \sum _{i \operatorname {Tr \;(\rho \otimes \omega )(F_{i \otimes \Psi _{i ^{* (O)).$

The success criterion for teleportation has the expression

${\displaystyle \sum _{i \operatorname {Tr \;(\rho \otimes \omega )(F_{i \otimes \Psi _{i ^{* (O))=\operatorname {Tr \;\rho \cdot O.$

انظر أيضاً

• Quantum mechanics
  • Introduction to quantum mechanics
  • Quantum nonlocality
  • Quantum computers
  • Quantum entanglement
  • Heisenberg uncertainly principle
  • Quantum energy teleportation

الهامش

المصادر

• http://www.oloommagazine.com/Articles/ArticleDetails.aspx?ID=1422

وصلات خارجية

• signandsight.com:"Spooky action and beyond" - Interview with Prof. Dr. Anton Zeilinger about quantum teleportation. Date: 2006-02-16
• Quantum Teleportation at IBM
• Physicists Succeed In Transferring Information Between Matter And Light
• Quantum telecloning: Captain Kirk's clone and the eavesdropper
• Teleportation-based approaches to universal quantum computation
• Teleportation as a quantum computation
• Quantum teleportation with atoms: quantum process tomography
• Entangled State Teleportation
• Fidelity of quantum teleportation through noisy channels by
• TelePOVM— A generalized quantum teleportation scheme
• Entanglement Teleportation via Werner States
• Quantum Teleportation of a Polarization State
• The Time Travel Handbook: A Manual of Practical Teleportation & Time Travel
• letters to nature: Deterministic quantum teleportation with atoms
• Quantum teleportation with a complete Bell state measurement
• Welcome to the quantum Internet. Science News, Aug. 16 2008.
• Quantum experiments - interactive.
• “A (mostly serious) introduction to quantum teleportation for non-physicists”