فراتر از شبیه‌سازی: بهره‌گیری از توانایی پخش کوانتومی مجازی

به گزارش گروه پژوهش خبرگزاری علم و فناوری آنا، دانشمندان در یک مطالعۀ پیشگامانه که نتایج آن در مجلۀ بررسی‌های فیزیکی (Physical Review Letters) منتشر شده، مفهوم «پخش کوانتومی مجازی» (virtual quantum broadcasting) را معرفی کردند.

بدین ترتیب دانشمندان توانستند روش جدیدی برای دور زدن قضیه دیرپای عدم شبیه‌سازی در مکانیک کوانتومی پیشنهاد کنند.

چرا نمی‌توانیم از اطلاعات رونوشت بگیریم؟

مکانیک کوانتومی، با اینکه فوق‌العاده قدرتمند است، به گونه‌ای طراحی شده که از تکرار یا رونوشت گرفتن از اطلاعات جلوگیری می‌کند. یک حالت کوانتومی تمام اطلاعات مربوطه را در سیستم محصور می‌کند و در هنگام اندازه‌گیری یا مشاهده به یکی از نتایج احتمالی اندازه‌گیری تغییر می‌کند.

این بدان معنی است که ما نمی‌توانیم از یک حالت رونوشت بگیریم، زیرا برای انجام این کار باید آن را اندازه‌گیری کنیم. این اصل به عنوان قضیه عدم شبیه‌سازی شناخته می‌شود. به عبارت ساده‌تر، نمی‌توان از اطلاعات کوانتومی، مانند داده‌های معمولی، رونوشت تهیه و آن را جایگذاری کرد.

این محدودیت مانع مهمی برای سیستم‌های ارتباطی کوانتومی است که به توانایی کارآمد برای انتقال و بازتولید اطلاعات کوانتومی متکی هستند.

هدف این تیم تحقیقاتی یافتن راه‌حلی برای این مشکل اساسی است که در قضیه عدم شبیه‌سازی ارائه شده است. هدف آنها مطالعۀ تکامل حالات کوانتومی در طول زمان و درک معنای این گذاره برای حالات کوانتومی خالص بود که می‌گوید «همبستگی به معنای علیت نیست».

پخش کوانتومی مجازی

این تحقیق به رهبری تیمی متشکل از اساتید آرتور پارزیگنات (Arthur Parzygnat)، جیمز فولوود (James Fullwood)، فرانچسکو بوشمی (Francesco Buscemi) و جولیو چیریبلا (Giulio Chiribella)، ایجاد نسخه‌های همبسته از حالت‌های کوانتومی را در طول زمان بررسی می‌کند و بدین ترتیب راه‌های جدیدی را برای پردازش اطلاعات کوانتومی باز می‌کند.

قضیۀ عدم ‌شبیه‌سازی، همانندسازی مستقیم اطلاعات کوانتومی را ممنوع می‌کند و چالشی را برای سیستم‌های ارتباطی کوانتومی ایجاد می‌کند. بر خلاف روش‌های کپی مرسوم، پخش کوانتومی مجازی به صورت مجازی عمل می‌کند و بین نمونه‌هایی از حالت‌های کوانتومی بدون همانندسازی فیزیکی ارتباط برقرار می‌کند. این روش از نقض اصول اساسی مکانیک کوانتومی جلوگیری می‌کند.

این مطالعه یک نقشۀ پخش مجازی منحصر به فرد ایجاد می‌کند که سه اصل کلیدی مربوط به چارچوب مرجع، تقارن و حفظ اطلاعات کلاسیک را برآورده می‌کند. محققان نشان می‌دهند که چگونه می‌توان با استفاده از یک شبیه‌ساز جهانی به تقریب فیزیکی این نقشه دست یافت. آنها همچنین یک فرآیند تجزیه شامل پروتکل‌های اندازه‌گیری و آماده‌سازی برای تولید نسخه‌های مجازی از حالت‌های کوانتومی را ترسیم می‌کنند.

نکته مهم این است که این مطالعه بر هم ارزی بین نقشۀ پخش مجازی و توابع تکامل زمانی تاکید می‌کند و یک جنبۀ مکانی-زمانی را برای انتقال اطلاعات کوانتومی نشان می‌دهد. این بینش فرصت‌های جدیدی را برای محاسبات کوانتومی، اطلاعاتی و کدگذاری باز می‌کند.

یکی از کاربردهای قابل توجه این یافته‌ها، افزایش امنیت ارتباطات کوانتومی است، چنانچه بدین ترتیب می‌توان تکنیک‌های استراق سمع را شناسایی کرد و اقداماتی متقابل در برابر آنها انجام داد. محققان پیشنهاد می‌کنند که پخش مجازی می‌تواند ساختارهای پنهان در فناوری اطلاعات کوانتومی را آشکار کند و به طور بالقوه به سؤالات اساسی در نظریه کوانتومی پاسخ دهد.

این مطالعه پیشرفتی در پردازش اطلاعات کوانتومی محسوب می‌شود و دیدگاه جدیدی را در مورد تکامل حالات کوانتومی در طول زمان ارائه می‌کند. همانطور که پروفسور بوشمی اشاره می‌کند، این کار ممکن است منجر به کاوش در زمینه‌هایی در نظریه کوانتومی شود که پیشتر غیرمتعارف تلقی می‌شد و این امر می‌تواند بینش‌هایی را در مورد دقت دستگاه‌های کوانتومی و سایر پدیده‌های اساسی نوید دهد.