التشابك المشترك كاتصال
حتى هذه النقطة، كان الاتصال الكمومي معنياً في الغالب بالأمن. استخدمت بروتوكولات مثل BB84 وE91 ميكانيكا الكم لتوزيع المفاتيح السرية واكتشاف المتنصتين. لكن التشابك الكمومي يستطيع فعل شيء آخر تماماً. يمكنه زيادة كمية المعلومات التقليدية التي يمكن نقلها.
للوهلة الأولى، يبدو هذا مستحيلاً. يمكن للبت التقليدي تخزين قيمة واحدة من قيمتين فقط، 0 أو 1. وعند قياس كيوبت واحد، تحصل أيضاً على نتيجة تقليدية واحدة فقط. فكيف يمكن لكيوبت واحد نقل بتّين تقليديين؟
الترميز فائق الكثافة هو بروتوكول يفعل ذلك بالضبط. باستخدام زوج متشابك واحد مشترك وإرسال كيوبت واحد فقط، يمكن لأليس نقل بتّين تقليديين من المعلومات إلى بوب.
Alice and Bob each hold one half of a shared Bell pair, |Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩) / √2.
ترميز بتّين تقليديين
تبدأ أليس وبوب بمشاركة زوج بِل متشابك.
تريد أليس الآن إرسال إحدى أربع رسائل ممكنة إلى بوب.
| Message | Operation | Resulting Bell state |
|---|---|---|
| 00 | I (do nothing) | |Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩) / √2 |
| 01 | X (flip) | |Ψ⁺⟩ = (|01⟩ + |10⟩) / √2 |
| 10 | Z (phase flip) | |Φ⁻⟩ = (|00⟩ − |11⟩) / √2 |
| 11 | X then Z | |Ψ⁻⟩ = (|01⟩ − |10⟩) / √2 |
كل عملية تحوّل الزوج المتشابك المشترك إلى حالة بِل مختلفة. لذا بدلاً من ترميز المعلومات في كيوبت واحد، تُرمّز أليس المعلومات في العلاقة بين الكيوبتين.
هذه هي الفكرة الأساسية وراء الترميز فائق الكثافة. المعلومات تعيش في الترابطات المشتركة.
Alice picks a message
Operation applied to Alice's qubit
I (do nothing)
Resulting Bell state
|Φ⁺⟩
(|00⟩ + |11⟩) / √2
فك ترميز الرسالة
الآن أنت بوب.
تختار أليس سراً إحدى الرسائل الأربع وتطبق العملية المقابلة على كيوبتها. ثم ترسل كيوبتها إليك فيزيائياً. أنت تمتلك الآن نصفي الزوج المتشابك.
بشكل فردي، لا يزال الكيوبتان يبدوان عشوائيين. لكن معاً، يحتويان الآن على معلومات كافية لتحدد العملية التي أجرتها أليس.
لاسترداد الرسالة، تُجري قياساً بأساس بِل على الكيوبتين معاً. يحدد هذا القياس حالة بِل التي يكون النظام فيها.
لأن كل حالة بِل تقابل عملية واحدة بالضبط، يمكنك العمل بشكل عكسي واسترداد رسالة أليس الأصلية المكونة من بتّين.
Alice secretly picks one of the four messages and applies the corresponding operation to her qubit. She then physically sends her qubit to you.
إذن أليس نقلت فيزيائياً كيوبتاً واحداً فقط، ومع ذلك استرددت بتّين تقليديين من المعلومات. هذا هو الترميز فائق الكثافة.
لماذا لا يكسر هذا الفيزياء
للوهلة الأولى، يبدو أن هذا ينتهك الحدود المعتادة لنقل المعلومات. كيف يمكن لإرسال كيوبت واحد نقل بتّين تقليديين؟ السبب وراء عمل هذا هو أن أليس وبوب تشاركا التشابك الكمومي بالفعل قبل بدء الاتصال. الزوج المتشابك نفسه يعمل كمورد كمومي مشترك مسبقاً.
يستهلك الترميز فائق الكثافة ذلك التشابك خلال عملية الاتصال. بدون زوج بِل المشترك، لن يعمل البروتوكول. هذا يكشف عن شيء عميق حول المعلومات الكمومية.
في الأنظمة التقليدية، تُخزّن المعلومات محلياً. لكن في ميكانيكا الكم، يمكن للمعلومات أن توجد أيضاً في الترابطات بين الجسيمات.
في الترميز فائق الكثافة، الرسالة لا تُخزَّن داخل كيوبت أليس وحدها. تُرمَّز في الحالة المتشابكة المشتركة بين أليس وبوب. وتلك البنية الكمومية المشتركة تتيح لكيوبت واحد منقول نقل بتّين تقليديين.