اقترح فريق من العلماء الشباب من معهد العلوم الطبيعية والدقيقة بجامعة جنوب الأورال الحكومية بقيادة دكتور العلوم الفيزيائية والرياضية ، البروفيسور سيرجي بودوشيدوف ، خوارزمية لمولد الحالة غير الكلاسيكية للضوء ، والتي تسمى «حالة قطة شرودنغر» ، ذات السعة الكبيرة جدًا. تلعب هذه الخوارزمية دورًا مهمًا في الاتصال الكمي والحوسبة الكمومية في المجال البصري باستخدام مصادر الليزر. نُشرت نتائج العمل في مقال في واحدة من أكثر المجلات العلمية تأثيرًا في سلسلة Nature Scientific Reports (Q1).
هل القط حي أم ميت؟
يجري العلماء الشباب بحثًا مثيرًا للاهتمام في مجال ميكانيكا الكم في مختبر معالجة المعلومات الكمومية والحوسبة الكمومية. ديمتري كوتس ، دكتوراه في الفيزياء والرياضيات ، أستاذ مشارك في قسم فيزياء أنظمة النانو ، طالب الدراسات العليا سيرجي ميخيف وعلماء آخرون عملوا بنشاط في ندوات في مجالات مختلفة من ميكانيكا الكم. كان أحد الاتجاهات هو فكرة تحقيق توليد حالات الضوء غير الكلاسيكية. نظر العلماء في الشروط التي يجب إنشاؤها للعمل مع نقل المعلومات الكمية وحددوا إمكانية إنشاء هذه الظروف بنجاح في الواقع. هذه المشكلة مهمة من وجهة نظر أساسية (هل هذا ممكن) ومن وجهة نظر مطبقة ، لأن الإشارات الضوئية قادرة على نقل المعلومات الكمومية باستخدام جسيمات متشابكة (مرتبطة). اقترح علماء جامعة جنوب الأورال الحكومية خوارزمية لإنشاء مثل هذا الضوء ، حيث تكون الفوتونات في حالة قطة شرودنغر.
في عام 1935 ، أجرى عالم الفيزياء النمساوي ، وهو أحد مؤسسي ميكانيكا الكم ، إروين شرودنغر تجربة فكرية. اقترح أن يتخيل قطة محبوسة في صندوق ، تعتمد حياتها على ذرة مشعة متحللة. إذا تفككت الذرة ، فسيعمل التتابع ويسقط المطرقة على القارورة بالسم ، وستتسمم القطة ؛ إذا لم تتحلل الذرة ، ستبقى القطة على قيد الحياة. بعد فتح الصندوق ، يستطيع المجرب رؤية حالة واحدة محددة فقط - «النواة قد اضمحلت ، والقط ميت» أو «النواة لم تتحلل ، والقط على قيد الحياة». قبل ذلك ، كانت القطة الافتراضية حية وميتة في نفس الوقت.
يصف الرسم التوضيحي لشرودنغر المفارقة الرئيسية لفيزياء الكم: يمكن أن توجد الجسيمات مثل الإلكترونات والفوتونات وحتى الذرات في حالتين في نفس الوقت. يعد إنشاء العناصر الضوئية باستخدام الجسيمات الأولية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية اتجاهًا واعدًا للغاية. على الرغم من أنه ، على الأرجح ، سيتم تنفيذ الكمبيوتر الكمي بناءً على العديد من الأنظمة الفيزيائية ، بما في ذلك استخدام الكيوبتات الضوئية.
في الحوسبة الكمومية ، تسمى حالة قطة شرودنجر حالة خاصة متشابكة (منضمة) للكيوبتات (البت الكمي هو أصغر عنصر لتخزين المعلومات في الكمبيوتر الكمومي ، ويمكنه تخزين صفر ، واحد وصفر وواحد في نفس الوقت ، أو لا واحد ولا الآخر) ، حيث تكون جميعها هي في نفس التراكب لجميع الأصفار أو الآحاد.
««تخضع بت كمومي للتأثيرات البيئية وتتطلب أنظمة حوسبة موثوقة. كل هذا يفرض متطلبات صارمة للغاية على النظام المادي الذي يتم فيه تنفيذ الكيوبتات والبوابات الكمومية ، والتي تحول حالات الإدخال للكيوبتات إلى حالات الإخراج. يمكن استخدام أنظمة فيزيائية مختلفة لتنفيذ بروتوكولات كمية مختلفة. على وجه الخصوص ، نظرًا لأن الضوء يتمتع بأقصى سرعة ممكنة للانتشار ويتفاعل بشكل ضعيف مع البيئة الصاخبة المحيطة ، فإن الأنظمة الضوئية توضع على قدم المساواة مع الأنظمة الذرية في تطوير التكوينات المحتملة للحاسوب الكمومي», يشرح ديمتري كوتس.
التراكب مسؤول عن القوة الهائلة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. كما أنه يعقد العمليات الحسابية بشكل كبير. النقطة المهمة هي أن الكيوبتات لا يجب أن تحافظ على حالتها فحسب ، بل تتفاعل أيضًا مع بعضها البعض. يكون الموقف أكثر تعقيدًا إذا كان لابد من تفاعل عشرات أو مئات الكيوبتات.
خطوات جديدة نحو الهدف
يعتزم العلماء إجراء تجارب لإنشاء مصدر حتمي للضوء المتشابك ، بغض النظر عن الظروف الأولية. يعد بناء مصدر التشابك عند الطلب عنصرًا حاسمًا في التنفيذ العملي لجميع البروتوكولات الكمومية ، بما في ذلك بناء جهاز كمبيوتر كمي. من المعروف أن الكمبيوتر الكمي المحتمل يمكنه تنفيذ الخوارزميات المستعصية بكفاءة ، مثل الاختيار السريع للحل الصحيح من بين الملايين من الحلول المتاحة ، أو البحث عن البيانات غير المصنفة ، والتي لا يمكن تنفيذها بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر التي تعمل وفقًا للقوانين الكلاسيكية. لكن تنفيذ فكرة الكمبيوتر الكمي يتطلب التنفيذ الفعال لمجموعة عالمية من العمليات الحتمية على مجموعة كبيرة من الكيوبتات. إن تنوع الحالات الممكنة للكيوبت يزيد بشكل كبير من قدرته ، وبالتالي ، القدرة الحاسوبية المحتملة للكمبيوتر.
««كقاعدة عامة ، يمكن للقائمين بالتجربة تطبيق عدد محدود جدًا من الدول المفيدة. إن إدراك الحالة الكمية المطلوبة عند الطلب هو المفتاح لكيفية عمل الحالات الكمية والعديد من البروتوكولات الكمومية المختلفة. في الواقع ، الكمبيوتر الكمي هو مولد حالة الإخراج المطلوبة ، والتي يتم استخراج المعلومات منها من خلال القياسات. يمكن قول الشيء نفسه ، على سبيل المثال ، عن بروتوكول النقل الآني الكمي لحالة غير معروفة أو ، على سبيل المثال ، الإنترنت الكمومي بما يعني إن أي تقدم ، سواء كان آلية جديدة أو خوارزمية جديدة في الهندسة الكمومية ، خطوة بخطوة يقرب البشرية ، ربما ، من أحلامها العزيزة - تنفيذ حاسوب كمي فعال ومحاولة النظر إلى ما وراء حدود العالم المادي»,- . يقول سيرجي بودوشيفيدوف.
على الرغم من وجود العديد من الأساليب المقترحة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية ، إلا أن أيا منها ليس مرضيًا تمامًا لأنها معقدة نوعًا ما أو محدودة التطبيق. على سبيل المثال ، سيتطلب تنفيذ عملية منطقية بسيطة عددًا كبيرًا غير مقبول من العمليات الإضافية. لذلك ، لا يمكن القول أن مشكلة معالجة المعلومات الكمومية الضوئية قد تم حلها أخيرًا ، والسؤال «كيف يمكن استخدام الموارد الضوئية وآليات التفاعل والحالات المناسبة بشكل فعال؟» لا يزال مفتوحا. هندسة الحالة الكمية هي مشكلة لم يتم حلها في معالجة المعلومات الكمومية.
تساعد مثل هذه الحالات البصرية («قطة شرودنغر») على تقليل الخسائر في معالجة المعلومات الكمومية ، ويمكن إنشاؤها في أي وسيط وبسعة كبيرة. ومع ذلك ، يظهر عدد من المشاكل عند العمل معهم. على سبيل المثال ، تحتاج إلى جعل هذه الحالات مستقرة ، ويجب إجراء العمليات الكمومية بسرعة كبيرة. يعمل العلماء في جميع أنحاء العالم على إيجاد حلول لهذه المشاكل.
يعد البحث في مجال الصناعة الرقمية أحد الاتجاهات الاستراتيجية الثلاثة لتطوير الأنشطة العلمية والتعليمية لجامعة جنوب الأورال الحكومية، إلى جانب علم البيئة والمواد.
جامعة جنوب الأورال الحكومية هي أحد المشاركين في المشروع 5-100 ، الذي يهدف إلى زيادة القدرة التنافسية للجامعات الروسية بين المراكز البحثية والتعليمية الرائدة في العالم..