نقل الطاقة الكمومية

يُعدّ نقل الطاقة الكمومية ( QET ) أحد تطبيقات علم المعلومات الكمومية ، وهو شكلٌ مُعدّل من بروتوكول النقل الكمومي . يسمح نقل الطاقة الكمومية بنقل الطاقة من مُرسِل إلى مُستقبِل، بغض النظر عن الموقع. يعمل هذا البروتوكول من خلال قيام المُرسِل بحقن الطاقة في حالة الفراغ الكمومي ، والتي يستطيع المُستقبِل استخلاص الطاقة منها. [ 1 ] يختلف نقل الطاقة الكمومية عن النقل الكمومي في أنه بدلاً من نقل معلومات حول حالة غير معروفة من المُرسِل إلى المُستقبِل، يتم نقل الطاقة بدلاً من ذلك.

لا تسمح هذه العملية بنقل الطاقة بسرعة تفوق سرعة الضوء، ولا تسمح بتوليد الطاقة تلقائيًا. يتشارك المرسل والمستقبل زوجًا من اللفات المتشابكة في سلسلة لفات . يمكن نقل الطاقة آنيًا من المرسل، أليس، إلى المستقبل، بوب، باستخدام تأثيرات المؤثرات المحلية . مع ذلك، لكي يستخلص بوب هذه الطاقة من لفه، يحتاج إلى إشارة منقولة كلاسيكيًا من أليس. ولأن هذه الإشارة الكلاسيكية لا يمكن نقلها بسرعة تفوق سرعة الضوء، فإن سرعة نقل الطاقة من أليس إلى بوب محدودة أيضًا بسرعة الضوء. [ 1 ]

طُرحت فكرة نقل الطاقة الكمومية لأول مرة من الناحية النظرية على يد ماساهيرو هوتا في عام 2008. [ 1 ] وقد تم إثبات البروتوكول تجريبياً لأول مرة في عام 2023 على يد كازوكي إيكيدا الذي استخدم الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل لإظهار تأثير نقل الطاقة. [ 2 ]

آليات نقل الطاقة الكمومية

هناك عاملان رئيسيان متضمنان في كيفية عمل QET: كيفية نقل الطاقة من أليس إلى بوب، وكيف يمكن لبوب استخراج الطاقة من دورانه.

سلاسل الدوران

رسم توضيحي مبسط لنموذج سلسلة الدوران. يمكن أن يتفاعل دوران الموقع i مع دورانات المواقع i - 1 و i + 1.

تُدرس ظاهرة نقل الطاقة الكمومية (QET) من خلال تحليل نماذج السلاسل المغزلية . السلسلة المغزلية هي نوع من النماذج حيث تُخصص قيمة مغزلية معينة لكل موقع في سلسلة أحادية البعد من المواقع، وعادةً ما تكون +1/2 أو -1/2 عند اعتبار المغزل -1/2. يمكن أن يتفاعل مغزل أي موقع مع مغزل جيرانه المجاورين، مما يؤدي إلى اقتران النظام بأكمله. [ 3 ]

تُعدّ سلاسل اللف المغزلي مفيدةً في نقل الطاقة الكمومي نظرًا لقدرتها على التشابك حتى في الحالة الأرضية. وهذا يعني أنه حتى بدون إضافة طاقة خارجية إلى النظام، تُظهر الحالة الأرضية ترابطات كمومية عبر السلسلة. يمتلك كلٌّ من أليس وبوب حالةً متشابكةً ​​من نظام سلسلة اللف المغزلي. وهذا يُقدّم تفسيرًا مبسطًا لكيفية انتقال الطاقة من لف أليس المغزلي إلى لف بوب المغزلي، إذ إنّ أي تأثير على لف أليس المغزلي يُمكن أن يؤثر على لف بوب المغزلي. [ 4 ]

تقلبات الفراغ

يُعدّ تذبذب الفراغ ووجود مناطق ذات كثافة طاقة سالبة ضمن توزيع الطاقة في النظام الكمومي عنصرًا أساسيًا آخر لفهم آلية نقل الطاقة الكمومي . وينتج تذبذب الفراغ عن مبدأ هايزنبرغ للشك ، وتحديدًا الشك بين سعة المجال وزخمه المرافق، وهو ما يُشابه مبدأ الشك بين الموضع والزخم.

رسم توضيحي لتقلبات الفراغ حول طاقة النقطة الصفرية. يمكن أن تحدث مناطق ذات كثافة طاقة سالبة (دائرة بنفسجية) حيث يكون سعة التقلبات أصغر من متوسط ​​سعة تقلبات الفراغ. [ 4 ]

علاقة التبادل،[φ(x،y،z)،Π(x،y،z)]=أنادلتا(x-x)دلتا(y-y)دلتا(z-z){\textstyle [\varphi (x,y,z),\Pi (x',y',z')]=i\hbar \delta (xx')\delta (yy')\delta (zz')}يؤدي ذلك إلى عدم اليقين في كثافة الطاقة عند نقاط مكانية مختلفة. ونتيجة لذلك، تتذبذب الطاقة حول كثافة طاقة النقطة الصفرية للحالة.

قد تشهد تقلبات الفراغ في مناطق معينة تقلبات ذات سعة أقل نتيجة لتأثير العمليات المحلية. تتميز هذه المناطق بكثافة طاقة سالبة لأن تقلبات الفراغ تمثل حالة الطاقة الصفرية. لذا، فإن التقلبات ذات السعة المنخفضة مقارنةً بتقلبات الفراغ تمثل منطقة ذات كثافة طاقة سالبة. وبما أن حالة الفراغ ككل لا تزال ذات طاقة صفرية، توجد مناطق أخرى ذات تقلبات فراغ أعلى وكثافة طاقة موجبة. [ 4 ]

تلعب كثافة الطاقة السالبة في تقلبات الفراغ دورًا هامًا في نقل الطاقة الكمومي، إذ تسمح باستخلاص الطاقة من حالة الفراغ. ويمكن استخلاص الطاقة الموجبة من مناطق ذات كثافة طاقة موجبة، والتي بدورها قد تنشأ من مناطق ذات كثافة طاقة سالبة في أماكن أخرى من حالة الفراغ. [ 4 ]

نقل الطاقة الكمي في نظام سلسلة الدوران

إطار بروتوكول نقل الطاقة الكمومية

تُدرس عملية نقل الطاقة الكمومية (QET) على فترات زمنية قصيرة، بحيث يكون هاميلتونيان نظام سلسلة اللف المغزلي ثابتًا تقريبًا مع الزمن. ويُفترض أيضًا إمكانية تكرار العمليات المحلية والاتصالات الكلاسيكية ( LOCC ) لللف المغزلي عدة مرات خلال فترة زمنية قصيرة. تتشارك أليس وبوب حالات لف مغزلي متشابكة في الحالة الأرضية.|ز{\textstyle |g\rangle }مع طول الارتباط{\textstyle \ell }تقع أليس في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}من نظام سلسلة الغزل، ويقع بوب في الموقعنب{\textstyle n_{B}}في نظام سلسلة الدوران بحيث تكون أليس وبوب بعيدين عن بعضهما البعض،|نأ-نب|1{\textstyle |n_{A}-n_{B}|\gg 1}[ 5 ]

1) تقوم أليس أولاً بإجراء عملية محلية على دورانها لقياس قيمة ذاتيةμ{\textstyle \mu }تُودع هذه العملية الطاقة في سلسلة الدورانهـأ{\textstyle E_{A}}٢) تُبلغ أليس بوب بنتيجة قياسها بطريقة تقليدية. ٣) يُطبق بوب وحدة محلية محددة بناءً على نتيجة قياس أليس على دورانه. في هذه العملية، تُطلق طاقة عند دوران بوب.

بروتوكول QET

من الناحية المفاهيمية، يمكن وصف بروتوكول QET بثلاث خطوات:

  1. تقوم أليس بإجراء قياس محلي على دورانها في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}قياس القيمة الذاتيةμ{\textstyle \mu }عندما تتفاعل أليس مع المشغل المحلي، الطاقةهـأ{\textstyle E_{A}}يتم إدخالها في الحالة.
  2. ثم تُبلغ أليس بوب عبر قناة تقليدية بنتيجة قياسهاμ{\textstyle \mu }كان الأمر كذلك. يُفترض أنه على مدار فترة انتقال الرسالة الكلاسيكية، فإن حالة أليس وبوب لا تتطور مع مرور الوقت.
  3. بناءً على القياس الذي حصلت عليه أليس أثناء دورانهاμ{\textstyle \mu }يقوم بوب بتطبيق مشغل محلي محدد على دورانه الموجود في الموقعنب{\textstyle n_{B}}بعد تطبيق المؤثر المحلي، تكون القيمة المتوقعة للهاميلتوني عند هذا الموقعح^نب{\textstyle {\hat {H}}_{n_{B}}}سالب. لأن التوقع لـح^نب{\textstyle {\hat {H}}_{n_{B}}}تكون القيمة المتوقعة سالبة قبل عملية بوب، وهي تساوي صفرًا.ح^نب{\textstyle {\hat {H}}_{n_{B}}}يشير مصطلح "بعد العملية المحلية" إلى استخراج الطاقة في الموقع.نب{\textstyle n_{B}}أثناء تطبيق العملية.

بديهيًا، لا يتوقع المرء إمكانية استخلاص الطاقة من الحالة الأرضية بهذه الطريقة. ومع ذلك، يسمح هذا البروتوكول بنقل الطاقة عن بُعد من أليس إلى بوب، على الرغم من أن أليس وبوب يشتركان في حالات دوران متشابكة في الحالة الأرضية. [ 5 ]

الوصف الرياضي

القياس المحلي بواسطة أليس

يمكن حساب بروتوكول نقل الطاقة الكمومية رياضيًا. ويستند الاشتقاق في هذا القسم إلى عمل ماساهيرو هوتا في "نقل الطاقة الكمومية في أنظمة السلاسل المغزلية" . [ 5 ] لنفترض دوران أليس في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}في سلسلة دوران حيث يكون كل دوران متشابكًا في الحالة الأرضية|ز{\textstyle |g\rangle }. بالنسبة للمشغل المحلي الوحدوي الهرميتيσ^أ=uأσنأ{\displaystyle {\hat {\sigma }}_{A}={\vec {u}}_{A}\cdot {\vec {\sigma }}_{n_{A}}}، أينuأ{\textstyle {\vec {u}}_{A}}يمثل متجه وحدة ثلاثي الأبعاد وσنأ{\textstyle {\vec {\sigma }}_{n_{A}}}هو متجه مصفوفة دوران باولي في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}، القيم الذاتية هي(-1)μ{\displaystyle (-1)^{\mu }}معμ=0،1{\textstyle \mu =0,1}يمكن لأليس إجراء قياس على الدوران في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}استخدام هذا المشغل المحلي للقياساتμ=0 أو 1{\textstyle \mu =0{\text{ or }}1}. التعبير عنσ^أ{\textstyle {\hat {\sigma }}_{A}}له تمدد طيفيσ^أ=μ=0،1(-1)μP^أ(μ){\displaystyle {\hat {\sigma }}_{A}=\sum _{\mu =0,1}(-1)^{\mu }{\hat {P}}_{A}(\mu )}أينP^أ(μ){\textstyle {\hat {P}}_ {A}(\mu )}هو عامل إسقاطي يُسقط على الفضاء الذاتي الفرعي معμ{\textstyle \mu }بعد أن قامت أليس بالقياس باستخدامσ^أ{\textstyle {\hat {\sigma }}_{A}}بالنسبة للمشغل، يبقى الدوران في حالة ما بعد القياس1صأ(μ)P^أ(μ)|ز{\textstyle {\frac {1}{\sqrt {p_{A}(\mu )}}}{\hat {P}}_{A}(\mu )|g\rangle }أينصأ(μ)=ز|P^أ(μ)|ز{\textstyle p_{A}(\mu )=\langle g|{\hat {P}}_ {A}(\mu )|g\rangle }هذه حالة كمومية مختلطة ذات مصفوفة كثافة :ρ^=μ=0،1صأ(μ)1صأ(μ)P^أ(μ)|زز|P^أ(μ)1صأ(μ)=P^أ(μ)|زز|P^أ(μ).{\displaystyle {\begin{aligned}{\hat {\rho }}'&=\sum _{\mu =0,1}p_{A}(\mu ){\frac {1}{\sqrt {p_{A}(\mu )}}}{\hat {P}}_{A}(\mu )|g\rangle \langle g|{\hat {P}}_{A}(\mu ){\frac {1}{\sqrt {p_{A}(\mu )}}}\\&={\hat {P}}_ {A}(\mu )|g\rangle \langle g|{\hat {P}}_ {A}(\mu ).\end{محاذاة}}}تحقق مصفوفة الكثافة هذه العلاقة التالية:

Trنأ[ρ]=Trنأ[|زز|]{\textstyle {\text{Tr}}_{n_{A}}[\rho ']={\text{Tr}}_{n_{A}}[|g\rangle \langle g|]}

مما يدل على أن التذبذب الكمي لـρ{\textstyle \rho '}وهو مماثل لحالة الأرض باستثناء الموقعنأ{\textstyle n_{A}}يتطلب هذا القياس من أليس إدخال طاقةهـأ{\textstyle E_{A}}في سلسلة الدوران. بما أن الحالة الأرضية لها طاقة صفرية،هـأ{\textstyle E_{A}}يرتبط ذلك بالفرق في الطاقة بين الحالة الكمومية النهائيةρ{\textstyle \rho '}والحالة الأرضية الأولية|ز{\textstyle |g\rangle }:هـأ=Tr[ρ^ح^]-ز|ح^|ز=μ=0،1ز|P^أ(μ)ح^P^أ(μ)|ز.// .}الطاقة التي تحتاجها أليس لإدخالها غير سالبة لأنح^{\displaystyle {\hat {H}}}غير سالب.ح^{\displaystyle {\hat {H}}}يُظهر أن قيمته غير سالبة في المادة المصدرية. [ 5 ] هذه نتيجة مهمة لعملية القياس، إذ أن الهدف من بروتوكول QET هو أن تقوم أليس بحقن كمية موجبة من الطاقة في سلسلة الدوران.

ظهور كثافة طاقة سالبة

الهاميلتوني لنظام سلسلة الدورانح^{\displaystyle {\hat {H}}}يمكن التعبير عنها كمجموع عوامل الطاقة المحليةتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}إجمالين{\textstyle n}يدور:ح^=نتي^ن{\displaystyle {\hat {H}}=\sum _{n}{\hat {T}}_{n}}مشغلو الطاقة المحليونتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}يمكن تغييرها بإضافة ثوابت بحيث تكون القيمة المتوقعة لمؤثرات الطاقة المحلية صفرًا.ز|تي^ن|ز=0{\textstyle \langle g|{\hat {T}} _ {n}|g\rangle =0}بسبب التشابك، الحالة الأرضية|ز{\textstyle |g\rangle }ليست حالة ذاتية لـتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}بما أن القيمة المتوقعة لمؤثرات الطاقة المحلية تساوي صفرًا، فهذا يعني أن أدنى قيمة ذاتية لـتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}يجب أن تكون سالبة. القيمة المتوقعة لـتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}يتضمن حالات ذاتية لـتين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}مع وجود كثافات طاقة موجبة وسالبة، إلا أن متوسطها يساوي صفرًا عبر جميع الحالات الذاتية. لذلك، فإن بعض اللفات في سلسلة اللفات التي تمتلك كثافة طاقة سالبة تؤدي إلى لفات أخرى تمتلك كثافة طاقة موجبة لموازنتها. وهذا يعني أنه يمكن سحب الطاقة من مواقع لفات معينة ذات كثافة طاقة موجبة، وهي العملية التي سيستخدمها بوب لاستقبال الطاقة المنقولة عن بُعد من أليس.

التواصل الكلاسيكي بين أليس وبوب

ثم تُبلغ أليس بوب بقيمة القياسμ{\textstyle \mu }عبر قناة كلاسيكية. يُعتبر الفاصل الزمني الذي يتم خلاله نقل هذه المعلومات قصيرًا جدًا بحيث لا يتطور النظام خلال هذا الوقت ولا يحدث أي تدفق للطاقة.

تطبيق نظام الوحدة المحلية بواسطة بوب

ثم يقوم بوب بتطبيق الوحدة المحليةيو^ب(μ){\textstyle {\hat {U}}_{B}(\mu )}إلى الدوران في الموقعنب{\textstyle n_{B}}أينيو^ب(μ)=أنا^كوسθ+أنا(-1)μσ^بالخطيئةθ{\displaystyle {\hat {U}}_{B}(\mu )={\hat {I}}{\text{cos}}\theta +i(-1)^{\mu }{\hat {\sigma }}_{B}{\text{sin}}\theta }. هناσ^ب=uبσنب{\textstyle {\hat {\sigma }} _ {B} = {\vec {u}} _ {B}\cdot {\vec {\sigma }} _ {n_ {B}}}أينuب{\textstyle {\vec {u}}_{B}}هو متجه وحدة ثلاثي الأبعاد وσنب{\textstyle {\vec {\sigma }}_{n_{B}}}هو متجه مصفوفة دوران باولي في الموقعنب{\textstyle n_{B}}تم إدخال معاملين حقيقيينξ=ز|σ^بح^σ^ب|ز{\textstyle \xi =\langle g|{\hat {\sigma }}_ {B}{\hat {H}}{\hat {\sigma }}_{B}|g\rangle }وη=ز|σ^أσ^˙ب|ز{\displaystyle \eta =\langle g|{\hat {\sigma }}_ {A}{\dot {\hat {\sigma }}}_{B}|g\rangle }، أينσ^˙ب=أنا[ح^نب،σ^ب]{\textstyle {\dot {\hat {\sigma }}}_{B}=i[{\hat {H}}_{n_{B}},{\hat {\sigma }}_{B}]}والتي يمكن استخدامها لتحديد معلمة الزاوية الحقيقيةθ{\textstyle \theta }بواسطةكوس(2θ)=ξξ2+η2{\textstyle {\text{cos}}(2\theta )={\frac {\xi }{\sqrt {\xi ^{2}+\eta ^{2}}}}}والخطيئة(2θ)=-ηξ2+η2{\textstyle {\text{sin}}(2\theta )=-{\frac {\eta }{\sqrt {\xi ^{2}+\eta ^{2}}}}}. استخدام[تي^ن،σ^ب]=0{\textstyle [{\hat {T}}_{n},{\hat {\sigma }}_{B}]=0}ل|ن-نب|>ل{\textstyle |n-n_{B}|>L}،σ^˙ب{\textstyle {\dot {\hat {\sigma }}}_{B}}يمكن التعبير عنها على النحو التاليσ^˙ب=أنا[ح^،σ^ب]{\textstyle {\dot {\hat {\sigma }}}_{B}=i[{\hat {H}},{\hat {\sigma }}_{B}]}.تين^{\textstyle {\hat {T_{n}}}}يشير إلى الطاقة المحلية في الموقعن{\textstyle n}.

يمكن الاطلاع على الاشتقاق الكامل في المصدر الأصلي. [ 5 ] باختصار، تطبيق بوب للوحدة المحليةيو^ب(μ){\textstyle {\hat {U}}_{B}(\mu )}يغادر حالته في الحالة الكموميةρ^{\displaystyle {\hat {\rho }}}باستخدام العلاقات لـθ{\textstyle \theta }وغيرها من التبسيطات، القيمة المتوقعة للطاقة في الموقعنب{\textstyle n_{B}}يمكن التعبير عنها على النحو التاليTr[ρ^ح^نب]{\textstyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}{\hat {H}}_{n_{B}}]}أوTr[ρ^ح^نب]=12[ξ-ξ2+η2].{\displaystyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}{\hat {H}}_{n_{B}}]={\frac {1}{2}}\left[\xi -{\sqrt {\xi ^{2}+\eta ^{2}}}\right].}لوη0{\textstyle \eta \neq 0}ثمTr[ρ^ح^نب]{\textstyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}{\hat {H}}_{n_{B}}]}يصبح الأمر سلبياً. قبل أن يتصرف بوب مع الوحدة المحليةيو^ب(μ){\textstyle {\hat {U}}_{B}(\mu )}الطاقة المحيطة ببوب تساوي صفرًا:Tr[ρ^ح^نب]=0{\textstyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}'{\hat {H}}_{n_{B}}]=0}وهذا يعني وجود بعض الطاقة الموجبةهـب{\textstyle E_{B}}يجب أن تنبعث من سلسلة الدوران كما هو الحال من حفظ الطاقة المحلي حول الموقعنب{\textstyle n_{B}}:هـب+Tr[ρ^ح^نب]=Tr[ρ^ح^نب]=0{\textstyle E_{B}+{\text{Tr}}[{\hat {\rho }}{\hat {H}}_{n_{B}}]={\text{Tr}}[{\hat {\rho }}'{\hat {H}}_{n_{B}}]=0}وبالتالي، يترتب على ذلك ما يلي:هـب=Tr[ρ^ح^نب]-Tr[ρ^ح^نب]=12[ξ2+η2-ξ].{\displaystyle {\begin{aligned}E_{B}&={\text{Tr}}[{\hat {\rho }}'{\hat {H}}_{n_{B}}]-{\text{Tr}}[{\hat {\rho }}{\hat {H}}_{n_{B}}]\\&={\frac {1}{2}}\left[{\sqrt {\xi ^{2}+\eta ^{2}}}-\xi \right].\end{aligned}}}لذا، كمية موجبة من الطاقةهـب{\textstyle E_{B}}تم استخراجها من الموقعنب{\textstyle n_{B}}، استكمالاً لبروتوكول QET.

قيود

تشابك نظام السلسلة المغزلية

أحد قيود البروتوكول هو أن تشترك أليس وبوب في حالة متشابكة. يمكن إثبات ذلك رياضيًا. إذا كانت الحالة الأرضية قابلة للفصل ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:|ز=|زأ|زب{\displaystyle |g\rangle =|g\rangle _{A}\otimes |g\rangle _{B}}والعلاقاتσ^˙ب=أنا[ح،σ^ب]{\textstyle {\dot {\hat {\sigma }}}_{B}=i[H,{\hat {\sigma }}_{B}]}وح^|ز=0{\textstyle {\hat {H}}|g\rangle =0}إذا تم استخدامها، فإن ذلك يترتب عليه ما يلي:η=ز|σ^أσ^˙ب|ز=ز|σ^أ|زز|σ^˙ب|ز=أناز|σ^أ|زز|(ح^σ^ب-σ^بح^)|ز=0.{\displaystyle {\begin{aligned}\eta &=\langle g|{\hat {\sigma }}_{A}{\dot {\hat {\sigma }}}_{B}|g\rangle =\langle g|{\hat {\sigma }}_{A}|g\rangle \langle g|{\dot {\hat {\sigma }}}_{B}|g\rangle \\&=i\langle g|{\hat {\sigma }}_{A}|g\rangle \langle g|({\hat {H}}{\hat {\sigma }}_{B}-{\hat {\sigma }}_{B}{\hat {H}})|g\rangle =0.\end{aligned}}}لذلك، يجب أن تشترك أليس وبوب في حالة تشابك حتى يتم نقل الطاقة من أليس إلى بوب، وإلاη{\textstyle \eta }يختفي مما يتسببهـب{\textstyle E_{B}}أن يختفي.

طاقة بدون تكلفة

يمكن للمرء أن يفترض أن أليس تستطيع سحب الطاقة التي تضعها في النظام عند القياسσ^أ{\textstyle {\hat {\sigma }}_{A}}،هـأ{\textstyle E_{A}}وبذلك تصبح الطاقة التي يستخرجها بوب،هـب{\textstyle E_{B}}، بتكلفة صفرية. رياضياً، هذا غير ممكن. أولاً، عندما تقيس أليسσ^أ{\textstyle {\hat {\sigma }}_{A}}في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}التشابك بين الدوران في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}وبقية السلسلة منقطعة لأن أليس قد أدت إلى انهيار الحالة المحلية. لذا، لكي تستخلص أليس الطاقة التي أودعتها في النظام أثناء عملية القياس، يجب عليها أولاً استعادة الحالة الأرضية. وهذا يعني أن على أليس إعادة إنشاء التشابك بين اللف المغزلي في الموقعنأ{\textstyle n_{A}}وبقية السلسلة التي لا يمكن تحقيقها باستخدام المؤثرات المحلية فقط. لإعادة إنشاء التشابك، ستحتاج أليس إلى استخدام مؤثرات غير محلية تتطلب بطبيعتها طاقة. [ 6 ] لذلك، يستحيل على أليس استخلاص الطاقةهـأ{\textstyle E_{A}}مع استخدام عوامل التشغيل المحلية فقط.

توزيع الطاقة الكمومية

يُعدّ توزيع الطاقة الكمومية (QED) بروتوكولًا اقترحه ماساهيرو هوتا في بحثه "بروتوكول لتوزيع الطاقة الكمومية"، وهو عبارة عن امتداد لبروتوكول QET يتضمن توزيع المفاتيح الكمومية (QKD). [ 1 ] يسمح هذا البروتوكول لمُزوّد ​​الطاقة بـS{\textstyle S}لتوزيع الطاقة إلىم{\textstyle M}المستهلكون المشار إليهم بـجم{\textstyle C_{m}}.

بروتوكول توزيع الطاقة الكمومية

الموردS{\textstyle S}وأي مستهلكجم{\textstyle C_{m}}مفاتيح مختصرة مشتركةك{\textstyle k}والتي تُستخدم للتعريف. باستخدام المفاتيح المختصرةك{\textstyle k}،S{\textstyle S}وجم{\textstyle C_{m}}يمكنه تنفيذ عملية توزيع المفاتيح الكمومية الآمنة التي تسمحS{\textstyle S}إرسال المعلومات التقليدية إلى المستهلكين. من المفترض أنS{\textstyle S}وجم{\textstyle C_{m}}تشترك في مجموعة من حالات الدوران المتعددة في الحالة الأرضية|ز{\textstyle |g\rangle }يتبع البروتوكول ست خطوات:

  1. S{\textstyle S}يقوم بإجراء قياس محلي للملاحظةيو^S=μ=0،1(-1)μP^S(μ){\textstyle {\hat {U}}_{S}=\sum _{\mu =0,1}(-1)^{\mu }{\hat {P}}_{S}(\mu )}على أرض الواقع|ز{\textstyle |g\rangle }والمقاييسμ{\textstyle \mu }.S{\textstyle S}يجب إدخال الطاقةهـS=μ=0،1ز|P^S(μ)ح^P^S(μ)|ز{\textstyle E_{S}=\sum _{\mu =0,1}\langle g|{\hat {P}}_{S}(\mu ){\hat {H}}{\hat {P}}_{S}(\mu )|g\rangle }في سلسلة الدوران.
  2. S{\textstyle S}يؤكد هويةجم{\textstyle C_{m}}من خلال استخدام المفاتيح السرية القصيرة المشتركةك{\textstyle k}.
  3. S{\textstyle S}وجم{\textstyle C_{m}}مشاركة مفاتيح سرية شبه عشوائيةك{\textstyle K}باستخدام بروتوكول توزيع المفاتيح الكمومية (QKD).
  4. S{\textstyle S}يشفر نتيجة القياسμ{\textstyle \mu }باستخدام المفتاح السريك{\textstyle K}ويرسلها إلىجم{\textstyle C_{m}}.
  5. جم{\textstyle C_{m}}يقوم بفك تشفير نتيجة القياسμ{\textstyle \mu }باستخدام المفتاح السريك{\textstyle K}.
  6. جم{\textstyle C_{m}}يقوم بتنفيذ العملية الوحدوية المحليةV^م(μ){\textstyle {\hat {V}}_{m}(\mu )}لتفسيرهم.جم{\textstyle C_{m}}يستقبل الطاقةهـم=12[ξم2+ηم2-ξم]{\textstyle E_{m}={\frac {1}{2}}\left[{\sqrt {\xi _{m}^{2}+\eta _{m}^{2}}}-\xi _{m}\right]}أينξم=ز|يو^مح^يو^م|ز{\textstyle \xi _{m}=\langle g|{\hat {U}}_{m}^{\dagger }{\hat {H}}{\hat {U}}_{m}|g\rangle }، ηم=ز|يو^sيو^˙م|ز{\textstyle \eta _{m}=\langle g|{\hat {U}}_{s}{\dot {\hat {U}}}_{m}|g\rangle }،يو^م=نمσنجم{\displaystyle {\hat {U}}_{m}={\vec {n}}_{m}\cdot {\vec {\sigma }}_{n_{C_{m}}}}،يو^˙م=أنا[ح^جم،يو^م]{\textstyle {\dot {\hat {U}}}_{m}=i[{\hat {H}}_{C_{m}},{\hat {U}}_{m}]}،نم{\textstyle {\vec {n}}_{m}}هو متجه وحدة، وσنجم{\textstyle {\vec {\sigma }}_{n_{C_{m}}}}هو متجه مصفوفة دوران باولي في الموقعنجم{\textstyle n_{C_{m}}}.

الصمود في وجه اللصوص

هذه العملية قوية في مواجهة المستهلك المجهول أو اللصد{\textstyle D}، في الموقعند{\textstyle n_{D}}محاولة سرقة الطاقة من سلسلة الدوران. بعد الخطوة 6، تُعطى حالة ما بعد القياس بواسطةρ^=μ=0،1(ميو^م(μ))P^S(μ)|زز|P^S(μ)(ميو^م(μ)).{\displaystyle {\hat {\rho }}=\sum _{\mu =0,1}\left(\prod _{m}{\hat {U}}_{m}(\mu )\right){\hat {P}}_{S}(\mu )|g\rangle \langle g|{\hat {P}}_{S}(\mu )\left(\prod _{m}{\hat {U}}_{m}^{\dagger }(\mu )\right).}منذد{\textstyle D}لا توجد معلومات عنμ{\textstyle \mu }وبالتالي يتصرف بشكل عشوائي مع أي منهمايو^د(0){\textstyle {\hat {U}}_{D}(0)}أويو^د(1){\textstyle {\hat {U}}_{D}(1)}أينيو^د(μ)=أنا^كوسθ+أنا(-1)μندσندالخطيئةθ{\textstyle {\hat {U}}_{D}(\mu )={\hat {I}}{\text{cos}}\theta +i(-1)^{\mu }{\vec {n}}_{D}\cdot {\vec {\sigma }}_{n_{D}}{\text{sin}}\theta }تصبح حالة ما بعد القياس مجموعًا للتخمينات المحتملة التي يضعها D لـμ{\textstyle \mu }، 0 أو 1. أخذ القيمة المتوقعة لمؤثر الطاقة الموضعيح^د{\textstyle {\hat {H}}_{D}}ينتج عنه:

Tr[ρ^دح^د]=12μ=0،1ز|P^S(μ)(ميو^م(μ))يو^د(μ)ح^ديو^د(μ)(ميو^م(μ))P^S(μ)|ز.{\displaystyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}_{D}{\hat {H}}_{D}]={\frac {1}{2}}\sum _{\mu =0,1}\langle g|{\hat {P}}_{S}(\mu )\left(\prod _{m}{\hat {U}}_{m}^{\dagger }(\mu )\right){\hat {U}}_{D}^{\dagger }(\mu ){\hat {H}}_{D}{\hat {U}}_{D}(\mu )\left(\prod _{m}{\hat {U}}_{m}(\mu )\right){\hat {P}}_{S}(\mu )|g\rangle .}ح^د{\textstyle {\hat {H}}_{D}}هي شبه موجبة محددة بحكم التعريف. هذا يعني أن جميع القيم المتوقعة لـح^د{\textstyle {\hat {H}}_{D}}، حتى تلك التي تم تغييرها بواسطةيو^د(μ){\textstyle {\hat {U}}_{D}(\mu )}تكون القيم أكبر من أو تساوي الصفر. على الأقل، ستكون إحدى القيم في مجموع الأثر موجبة، وهي القيمة التيد{\textstyle D}يخمن القيمة الخاطئة لـμ{\textstyle \mu }وذلك بسبب العمليةيو^د(μ)|ز{\textstyle {\hat {U}}_{D}(\mu )|g\rangle }سيضيف طاقة إلى النظام عندماμ{\textstyle \mu }لا تتطابق القيمة مع القيمة التي قاسها أليس. لذلك،Tr[ρ^دح^د]>0{\textstyle {\text{Tr}}[{\hat {\rho }}_{D}{\hat {H}}_{D}]>0}وهذا يعني أنه في المتوسطد{\textstyle D}سيتعين إدخال الطاقة إلى السلاسل المغزلية دون تحقيق أي مكسب.

هذا البروتوكول ليس مثاليًا من الناحية النظريةد{\textstyle D}يمكنني التخمينμ{\textstyle \mu }في محاولتهم الأولى، والتي ستكون فرصة 50٪ للتخمينμ{\textstyle \mu }بشكل صحيح، وسيؤدي ذلك إلى ربح فوري في مجال الطاقة. ومع ذلك، فإن الفكرة هي أنه على مدى محاولات متعددةد{\textstyle D}سوف يفقد الطاقة لأن الطاقة الناتجة عن التخمين الصحيح أقل من الطاقة المدخلة المطلوبة عند القيام بتخمين خاطئ.

التنفيذ التجريبي

تم إثبات تقنية نقل الطاقة الكمومية (QET) تجريبيًا في عام 2022 من قبل مجموعة IQC في منشور بعنوان " التنشيط التجريبي للحالات السلبية المحلية القوية باستخدام المعلومات الكمومية " [ 7 ] ، وفي عام 2023 من قبل كازوكي إيكيدا في منشور بعنوان "إثبات نقل الطاقة الكمومية على أجهزة كمومية فائقة التوصيل" [ 2 ] . تم التحقق من بروتوكول QET الأساسي الذي نوقش سابقًا باستخدام العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل من IBM . من بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستخدمة: ibmq_lima وibm_cairo وibmq_jakarta، والتي قدمت أدق النتائج للتجربة. توفر هذه الأجهزة الكمومية كيوبتين متصلين بدقة عالية للتحكم في تشغيل البوابات. وقد أخذ الهاميلتوني المستخدم في الاعتبار التفاعلات بين الكيوبتين باستخدامX^{\textstyle {\hat {X}}}وZ^{\textstyle {\hat {Z}}}مشغلو باولي .

بروتوكول

تم تحضير الحالة الأرضية المتشابكة أولاً باستخدامCNOT^{\displaystyle {\widehat {\text{CNOT}}}}وR^Y{\textstyle {\hat {R}}_{Y}}البوابات الكمومية . ثم قامت أليس بقياس حالتها باستخدام مؤثر باولي.X^{\textstyle {\hat {X}}}حقن الطاقةهـ0{\textstyle E_{0}}أدخلت أليس نتائج قياساتها إلى النظام. ثم أبلغت بوب بنتيجة قياساتها عبر قناة اتصال كلاسيكية. استغرقت عملية نقل نتائج القياسات الكلاسيكية حوالي 10 نانوثانية، وهي أسرع بكثير من زمن انتشار الطاقة في النظام. بعد ذلك، أجرى بوب عملية دوران مشروطة على الكيوبت الخاص به بناءً على قياس أليس. ثم أجرى بوب قياسًا محليًا على حالته لاستخراج الطاقة من النظام.هـ1{\textstyle E_{1}}.

نتائج

القيم التجريبية المرصودة عديمة الأبعاد، وتتوافق قيم الطاقة مع القيم الذاتية للهاميلتوني. بالنسبة للحواسيب الكمومية، تميل مقاييس الطاقة إلى أن تكون محدودة بتردد انتقال الكيوبت، والذي غالبًا ما يكون في حدود الجيجاهرتز. لذلك، يكون مقياس الطاقة النموذجي في حدود10-24{\textstyle 10^{-24}}قام إيكيدا بتجربة تغيير المعلمات في الهاميلتوني، وتحديداً الطاقة المحلية.ح{\textstyle h}وقوة التفاعلك{\textstyle k}، لمعرفة ما إذا كان بروتوكول QET قد تحسن في ظل ظروف معينة.

بالنسبة للمعايير التجريبية المختلفة، القيم التجريبية لطاقة الإدخال الخاصة بأليسهـ0{\textstyle E_{0}}كانت القيمة حوالي 1، وتطابقت بشكل كبير مع النتائج التجريبية عند تطبيق إجراءات تخفيف الخطأ. الطاقة المستخرجة من بوبهـ1{\textstyle E_{1}}لوحظ أن قيمة سالبة عند تطبيق إجراءات تخفيف الخطأ، وذلك بالنسبة لبعض المعايير التجريبية. يشير هذا إلى نجاح بروتوكول QET في ظل هذه المعايير. وبناءً على هذه المعايير، يتلقى بوب ما بين 1% و5% من الطاقة التي تُدخلها أليس.

تصحيح الأخطاء الكمومية

تُعدّ الحواسيب الكمومية حاليًا المنصة الأنسب لتحقيق نقل الطاقة الكمومي (QET) تجريبيًا. ويعود ذلك أساسًا إلى قدرتها على تطبيق تصحيح الأخطاء الكمومية . يُعدّ تصحيح الأخطاء الكمومية بالغ الأهمية لتطبيق بروتوكولات QET تجريبيًا، نظرًا للدقة العالية المطلوبة لحساب الطاقة السالبة التي يتلقاها بوب في بروتوكول QET. وقد حسّن تصحيح الأخطاء في هذه التجربة بشكل كبير كمية الطاقة التي استطاع بوب استخلاصها من النظام. ففي بعض الحالات، بدون تصحيح الأخطاء، كانت الطاقة المستخلصة من بوب موجبة، مما يشير إلى عدم نجاح بروتوكول QET. ولكن بعد تصحيح الأخطاء، أمكن تقريب هذه القيم من القيم التجريبية، بل وفي بعض الحالات أصبحت سالبة، مما مكّن بروتوكول QET من العمل. وقد سمح تصحيح الأخطاء الكمومية المُستخدم في هذه التجربة لإيكيدا بملاحظة قيم متوقعة سالبة للطاقة المستخلصة.هـ1{\textstyle E_{1}}وهو أمر لم يُرصد تجريبياً من قبل. كما تتطلب التطبيقات التجريبية لتقنية نقل الطاقة الكمومية دقة عالية نظراً للتأثيرات الدقيقة لكثافة الطاقة السالبة. وبما أن كثافات الطاقة السالبة ناتجة عن تقلبات الفراغ، فقد تُطغى عليها ضوضاء القياس في الأجهزة بسهولة. لذا، فإن الدقة العالية تُتيح تمييزاً أفضل بين إشارات الطاقة السالبة والضوضاء. [ 2 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 هوتا، ماساهيرو (أغسطس 2008). "بروتوكول لتوزيع الطاقة الكمومية". رسائل الفيزياء أ . 372 (35): 5671-5676 . arXiv : 0803.1512 . Bibcode : 2008PhLA..372.5671H . doi : 10.1016/j.physleta.2008.07.007 .
  2. 1 2 3 إيكيدا، كازوكي (21 أغسطس 2023). "عرض توضيحي لنقل الطاقة الكمومية على أجهزة كمومية فائقة التوصيل". مجلة Physical Review Applied . 20 (2) 024051. arXiv : 2301.02666 . Bibcode : 2023PhRvP..20b4051I . doi : 10.1103/PhysRevApplied.20.024051 .
  3. كريتشينو، ماركوس (23 يوليو 2024). سلاسل الدوران الكمومي والدوال المتناظرة (نسخة أولية). arXiv : 2404.04322 .
  4. 1 2 3 4 هوتا، ماشاهيرو (20 يناير 2011). نقل الطاقة الكمومية: مراجعة تمهيدية (نسخة أولية). arXiv : 1101.3954 .
  5. 1 2 3 4 5 هوتا، ماساهريو (22 ديسمبر 2008). نقل الطاقة الكمومية في أنظمة السلاسل المغزلية (نسخة أولية). arXiv : 0803.0348 .
  6. أندرياداكيس، فايدون؛ دالاس، إيمانويل؛ زاناردي، باولو (12 نوفمبر 2024). "قوة تشابك فضاء المؤثرات لديناميكيات الكم ونمو تشابك المؤثرات المحلية في الدوائر الوحدوية المزدوجة". مجلة Physical Review A. 110 ( 5) 052416. arXiv : 2406.10206 . Bibcode : 2024PhRvA.110e2416A . doi : 10.1103/PhysRevA.110.052416 .
  7. رودريغيز-بريونيس، نايلي أ.؛ كاتيار، هيمانث؛ مارتين-مارتينيز، إدواردو؛ لافلام، ريموند (13 مارس 2023). "التنشيط التجريبي للحالات السلبية المحلية القوية باستخدام المعلومات الكمومية" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 130 (11) 110801. arXiv : 2203.16269 . Bibcode : 2023PhRvL.130k0801R . doi : 10.1103/PhysRevLett.130.110801 . PMID 37001104 . 

للمزيد من القراءة