logo

logo

logo

logo

logo

الاتصالات الكمومية

اتصالات كموميه

Quantum communication - Communication quantique



الاتصالات الكمومية

 

ظاهرة التشابك

التعمية الكمومية

النقل من بعدا

التوقعات المستقبلية

 

 

 

الاتصالات الكمومية (الكوانتية)  quantum communications طريقة لنقل الصفات الكمومية من مكان إلى آخر والاستفادة منها في نقل المعطيات بأمان أكبر أو بسرعة أكبر من وسائط الاتصال التقليدية.

وتُحدد الصفات الفيزيائية للجسيمات المجهرية microscopic - مثل الإلكترونات والفوتونات والذرات - بوساطة الميكانيك الكمومي  quantum mechanics  الذي يعتمد على مبدأ ازدواجية الطبيعة الفيزيائية للجسيمات الدقيقة بين الطبيعة الجسيمية corpuscular والطبيعة الموجية  wave . وينجم عن ذلك العديد من الظواهر غير المألوفة في الفيزياء التقليدية، منها تحديد الخواص الفيزيائية تحديداً احتمالياً probabilistic عوضاً عن التحديد الحتمي determinist، وعدم التموضع  non localization الذي ينص أن الجسيم له احتمال للوجود في مكان ما ولا يمكن الجزم بوجه قطعي بعدم وجوده في مكان آخر. إضافة إلى مبدأ الارتياب لهايزنبرغ  Heisenberg uncertainty principle الذي ينص على عدم إمكان تحديد قيمة زوج من المقادير الفيزيائية - مثل المكان والسرعة velocity- بدقة عالية في الوقت نفسه، فكلما زادت الدقة في تحديد أحد المقدارين زاد الارتياب في تحديد المقدار الآخر. ومن نتائج الميكانيك الكمومي إمكان ارتباط الصفات الكمومية لجسيمات متباعدة، وعدم إمكان استنساخ  cloning الجسيمات الكمومية. ويقتضي الميكانيك الكمومي كذلك بأن إجراء أي عملية قياس على جسيم ستغير من صفاته الكمومية، كما يتيح الميكانيك الكمومي إمكان تمثيل عدة معطيات اثنانية binary في جسيم واحد بالاعتماد على مبدأ التراكب  superposition  ويدعى هذا الجسيم «بتاً كموميا »quantum bit (qubit )؛ وهو يقابل البت التقليدي الذي لا يمثل إلاّ معطاة اثنانية واحدة. ويُعد البت الكمومي أساس الحوسبة الكمومية  quantum computing.

وقد ساعدت مجموعة هذه الظواهر على تطوير نظريات لتطبيقها في الاتصالات، وخاصة في التعمية الكمومية quantum cryptography، وفي النقل من بعد teleportation.

وقد درجت العادة في جميع الأدبيات التي تتناول الاتصالات على إطلاق اسم «أليس » Alice على الجهة المرسلة؛ واسم «بوب » Bobعلى الجهة المستقبلة؛ واسم «إيڤ»» Eve على جهة ثالثة تتنصت على المعطيات المتبادلة بين «أليس» و« بوب» بطريقة غير شرعية

ويُقصد بقناة اتصال كمومية  quantum channel قناة تحافظ على الصفات الكمومية للجسيمات التي تنتقل عبرها مثل الفوتونات أو الذرات أو غيرها؛ بخلاف قناة الاتصال التقليدية classical channel التي لا تحافظ بالضرورة على هذه الصفات الكمومية.

ظاهرة التشابك

تَنبَّه لظاهرة التشابك entanglement كلٌّ من أينشتاين وبودولسكي وروزين    Einstein, Podolsky and Rosen  ( EPR)  في مقالتهم التي نشرت عام 1935 لدراسة حالة أرادوا منها إثبات عدم كمال الميكانيك الكمومي. وتفترض مناقشة EPR تفاعل جسيمين بحيث تُعرّف بدقة علاقة بين صفاتهما الكمومية؛ فإذا حُددت قيمة إحدى هذه الصفات لأحد الجسيمين أمكن استنتاج مقابلتها في الجسيم الآخر - ويدعى الجسيمان بالمتشابكين entangled - ثم يباعد بين الجسيمين، ويُجرى قياس على كل جسيم بمفرده، ويمكن لكل قياس أن يتناول مقداراً مختلفاً عن الآخر، ومن ثَم يمكن تحديد قيمته بدقة كبيرة، ثم استنتاج المقدارين بدقة عالية في آن واحد، وهذا ما يناقض مبدأ الارتياب لهايزنبرغ، إلاّ إذا افترض وجود رابطة (خفية) بين الجسيمين تؤثر من بعد. وتفترض هذه الرابطة أن أي تغيير في الصفات الكمومية لأحد الجسيمين المتشابكين يؤدي إلى تغيير في الصفات الكمومية للآخر. ولا تفترض هذه الرابطة أي انتقال للمادة أو للطاقة، ومن ثم فهي غير مقيدة بسرعة انتشار الضوء المحددة بالنظرية النسبية، ويمكن أن يجري التغيير المتبادل آنياً؛ ويبرز هنا مبدأ نقل معلومات بين مكانين متباعدين آنياً؛ أو «النقل من بعد».

بدأ الفيزيائيون منذ ثمانينيات القرن العشرين بدراسة ظاهرة التشابك بين الجسيمات الكمومية؛ وإجراء التجارب التي أثبتت وجود هذه الظاهرة باستعمال الفوتونات المنتشرة سواء في الألياف البصرية أم في الفضاء الحر.

التعمية الكمومية

يقدم الميكانيك الكمومي وسيلة لنقل المعطيات بسرية مع التحقق من عدم وجود تنصت عليها؛ مثل التبادل الآمن لمفاتيح التعمية أو التوزيع الكمومي للمفاتيح quantum key distribution (QKD)  ويُعد هذا التوزيع أكثر تطبيقات الاتصالات الكمومية نضجاً. يبين المثال الآتي شرحاً «لبروتوكول» بسيط لهذا التوزيع.

ترسل «أليس» سلسلة كبيرة من البتات الاثنائية إلى «بوب» باستعمال قناة كمومية، وتستعمل «أليس» من أجل ترميز البتات طريقتين غير متكافئتين للترميز (قاعدتي الترميز)؛ على سبيل المثال تُرمز البتات 0 و1 تارةً باستعمال الاستقطاب الدائري للفوتونات (يميني أو يساري لتمثيل 0 أو 1) وتارة باستعمال الاستقطاب الخطي (عمودي أو أفقي)، وتختار «أليس» إحدى الطريقتين عشوائياً، ولكن باحتمال متساوٍ؛ ومن دون إعلام أي طرف آخر مثل «بوب». يقيس «بوب» الصفات الكمومية (حالة الاستقطاب) للكائنات الكمومية (الفوتونات) الواردة وفق إحدى القاعدتين (قياس اتجاه دوران الاستقطاب أو خطية الاستقطاب) لاستنتاج البتات المرسلة، ويحصل «بوب» على وجه اليقين على قيمة صحيحة للبتات التي أرسلتها «أليس»  إذا طابقت طريقة قياسه لقاعدة ترميز «أليس»، وما عدا ذلك سيؤدي القياس إلى نتيجة خاطئة باحتمال معين. ولما كان  «بوب» لا يعرف طريقة ترميز كل بت فإنه سيتضمن قياسه حتماً معدل خطأ يعرف باسم معدل خطأ البت الكمومي  quantumbit  error rate   (QBER) ، يمكن حسابه اعتماداً على طريقة الترميز والقياس الكموميين. ولتقدير معدل الخطأ تقوم  أليس  بإرسال طريقة الترميز التي استعملتها في كل بت على قناة اتصالات تقليدية، وهذا يسمح لـ «بوب» بتحديد البتات التي يجب أن يؤدي قياسها إلى نتيجة صحيحة، ثم تقوم «أليس» بإرسال سلسلة جزئية من سلسلة البتات التي أرسلتها سابقاً بوساطة قناة اتصال تقليدية؛ وبمقارنة هذه السلسلة الجزئية بنتائج قياس مقابلاتها الواردة سابقاً على القناة الكمومية، يستطيع «بوب» حساب معدل خطأ البت الكمومي الذي يجب أن يكون تحت حد معين إذا كانت القناة الكمومية آمنة؛ أي لا يوجد تنصت عليها. وإذا أرادت «إيڤ» التنصت على القناة والحصول على المعطيات فإنها مضطرة إلى قياس الجسيمات الكمومية المنقولة عبر القناة، ومن ثمّ إعادة إرسالها أو إرسال جسيمات بديلةٍ منها إلى «بوب»؛ وذلك بسبب عدم إمكان استنساخ هذه الجسيمات، ولكن القياس الذي تطبقه «إيڤ» على الجسيمات سيغير من صفاتها الكمومية الأصلية، ومن ثَم ستحمل الجسيمات الواردة إلى «بوب» بعد تنصت «إيڤ» عليها صفات مخالفة لتلك التي أرسلتها «أليس»، وهذا سيزيد حتماً من معدل خطأ البت الكمومي الذي يقيسه «بوب»، فإذا تجاوز هذا المعدل حدّاً معيناً يتيقن «بوب» و «أليس» من وجود تنصت على القناة، فيقرران إلغاء العملية وإعادة إرسال المعطيات من جديد. أما إذا كان هذا المعدل أقل من حد معين فذلك يعني أن القناة آمنة، فيقرران مفتاح التعمية من بين البتات في السلسلة المتبقية التي أرسلتها  أليس  على القناة الكمومية ولم ترسل على القناة التقليدية، وهكذا لا يمكن لأي جهة ثالثة معرفتها.

تعود فكرة التعمية الكمومية إلى ستيفن وايزنر Stephen Wiesner في عام 1969. وقد اقتُرحت عدة بروتوكولات للتوزيع الكمومي للمفاتيح مثل البروتوكول  BB84 الذي طرحه بنيت وبراسار Bennett and Brassard في عام 1984؛ والذي يعتمد استعمال قاعدتين للترميز، والبروتوكول  B92 المعتمد أيضاً على قاعدتين للترميز، والبروتوكول  EPR المعتمد على ثلاث قواعد للترميز وعلى استعمال الجسيمات المتشابكة. وقد أُنجزت أول تجربة عملية على ذلك في عام 1989 في مخابر آي بي إم  IBM باستعمال استقطاب الفوتونات ولمسافة  30 سم في الهواء، وتطورت التجارب منذ ذلك الحين، كما طُورت عدة بروتوكولات بالاعتماد على الألياف البصرية. وفي عام 2004 استُعملت الألياف البصرية التقليدية للتوزيع الكمومي للمفاتيح لمسافة 122كم؛ مع معدل خطأ البت الكمومي 8.9 %؛ ومعدل نقل المعطيات بعد تصحيح الأخطاء بنحو 1,9 kbit/s.

النقل من بعد

يُعَدُّ توزيع المفتاح الكمومي توزيعاً لبتات تقليدية، وهو أداة مساعدة في الاتصالات التقليدية وليس بديلاً منها، في حين يُعَدُّ النقل من بعد تبادلاً لبتات كمومية، ويمكن أن يكون بديلاً من وسائط الاتصال التقليدية.

ويقصد بـالنقل من بعد - في الاتصالات الكمومية - إمكان نقل المعطيات بين مكانين متباعدين من دون الحاجة إلى عبور مادة أو طاقة للمسافة الفاصلة بينهما. ويُعَدُّ النقل من بعد أحد أكثر الظواهر إثارةً في الاتصالات.

ويعتمد النقل من بعد على توليد زوج من الجسيمات الكمومية المتشابكة A وB ، وغالباً ما يسمى هذا الزوج في الأدبيات العلمية بزوج  EPR؛ إذ يُرسل أحد الجسيمين  A إلى «أليس»، في حين يرسل الجسيم الآخر  B إلى « بوب» باستعمال قناة اتصال كمومية مثل الألياف البصرية أو الانتشار في الفضاء الحر إذا كانت الجسيمات الكمومية هي فوتونات، وبعد وصول الجسيمات إلى كل من «أليس» و «بوب» يمكن قطع قناة الاتصال الفيزيائية. ويكوّن الجسيمان المتشابكان( AوB ) قناة اتصال كمومية بين «أليس» و«بوب». وفي حال رغبة  «أليس» بنقل معطيات ممثلة بالحالة الكمومية ا I φ > لجسيم كمومي  M  إلى  «بوب»؛ تقوم بإجراء تفاعل بين الجسيمين الكموميين A، وM، ويسمى هذا التفاعل بقياس بيل Bell state measurement(BSM). وينجم عن هذا التفاعل تغيير الجسيم  A من حالته الكمومية التي تنتقل آنيَّاً، نتيجة تشابكوB، إلى الجسيم  B   الذي يغير من حالته الكمومية أيضاً، كما ينجم عن هذا القياس مجموعة من المعطيات التي تقوم «أليس» بنقلها إلى « بوب» عبر قناة اتصال تقليدية، ولكن هذا التغير لا يمنح الجسيم  B  الحالة الكمومية   I φ > ثم يجري « بوب» - وبمساعدة المعطيات المرسلة من «أليس»- عمليات معينة على الجسيم B تسمح له باكتساب الحالة الكمومية I φ >    وهذا ما يجعل الحالة > φI تنتقل من بعد من الجسيم M إلى الجسيم  B

الشكل (1)الاتصالات الكمومية بالنقل عن بعد

. يفقد قياس بيل المطبق على الجسيم M حالته الكمومية الأصلية    I φ < ومن ثمّ تختفي هذه الحالة عند «أليس» لتظهر عند «بوب»، وهذا لا يناقض مبدأ عدم الاستنساخ (الشكل 1). وتكوِّن المعطيات الناتجة من قياس بيل - والتي تحتاج «أليس» إلى إرسالها إلى «بوب» بالقناة التقليدية - عملياً جزءاً بسيطاً جدّاً من المعطيات المضمنة في الحالة الكموميةI φ > ، وهذا ما يجعل معدل نقل المعطيات بالطريقة الكمومية أكبر مما تتيحه الاتصالات التقليدية، ولكن لن يكون آنيّاً أو أسرع من انتقال الضوء.

وقد اكتُشف النقل من بُعْد عام 1993، وأُنجزت أول تجربة للنقل من بعد في عام 1997 بنقل بت كمومي على شكل فوتون مستقطب، وفي عام 2003 أنجزت تجربة النقل من بعد لمسافة 2 كم باستعمال الألياف البصرية.

التوقعات المستقبلية

ما تزال الاتصالات الكمومية محور عمل العديد من مخابر البحوث العالمية، وما تزال بعض العقبات تواجه تطبيقها على مستوى واسع، وما يزال البحث قائماً للوصول إلى أفضل التقانات التي تسمح بإنشاء المكوّنات الرئيسية المطلوبة. ومن هذه المكوّنات منابع ضوئية وحيدة الفوتون تسمح بإطلاق فوتون واحد استجابةً لتحريض مناسب، ومن التقانات المرشحة لذلك ليزرات نبضية باستطاعات ضعيفة جدّاً. ومن المكوّنات المطلوبة أيضاً منابع للجسيمات المتشابكة، ويجري العمل على المحولات الوسيطية parametric  converters للفوتونات. وهي بلورات تولد فوتونين بتحريض من فوتون واحد بحيث يكون مجموع طاقتي الفوتونين الناتجين يساوي طاقة الفوتون المحرض، ولكن احتمال هذا التحويل لا يزال ضعيفاً جدّاً.

 الشكل (2) : قناة اتصال بالنقل عن بعد لمسافت كبيرة
وحال التشابك بين  ،  B و A  لنقل حالة التشابك بين الجسيمين   BSM  باستعمال قياس بيل quantum ralay منقال كموني (a)
Cو  A إلى حالة تشابك بين الجسيمين  Cو B  الجسيمين
  تسمح بتزامن المعطيات   BSM وقياسات بينQM باستعمال ذواكر كمومية quantum repeatar مكرر كمومي(b)
 و نقل حالة التشابك   

 BJ  عبر عدد من الجسيمات الوسيطة C و B بين الجسيمين

ومن العقبات التي تواجه الاتصالات بالنقل من بعد لمسافات بعيدة إمكان تحقيق مكرِّرات تقوية repeaters يمكنها نقل حالة التشابك بين جسيمين A وB إلى جسيمين A و C   وذواكر كمومية يمكنها الاحتفاظ بحالة التشابك مدةً كافية تسمح بنقل كمٍّ وافر من المعطيات. يبين الشكل (2) مخططاً لقناة نقل من بعد لمسافات بعيدة، حيث ترمز QM إلى الذواكر الكمومية، ويسهم قياس بيل في نقل حالة التشابك بين الجسيم A والجسيمات Bj على التوالي.

 

 إياد سيد درويش

 

 

مراجع للاستزادة:

- C. Peng Et Al., Experimental Free-Space Distribution Of Entangled Photon Pairs Over 13 Km: Towards Satellite-Based Global Quantum Communication , Phys. Rev. Lett. 94, 2005.

- C. Gobby, Z. L. Yuan, A. J. Shields, Quantum Key Distribution Over 122 Km Of Standard Telecom Fiber, Appl. Phys. Lett. 84, 2004.

 - I. Marcilic, H. De  Riedmatten, W. Tittel, H. Zbinden, And N. Gisin, Long-Distance Teleportation Of Qubits At Telecommunication Wavelengths, Nature 421, 2003.

 - Li Yongmin, Zhang Kuanshou, Quantum Optical Implementation Of Quantum Communication, China Communications, December 2005.

-Nicolas Gisin & Rob Thew, Quantum Communication , Review Article;  Nature Photonics; Vol. 1; 2007.

 


التصنيف : المنظومات الفضائية
النوع : المنظومات الفضائية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 126
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 558
الكل : 29587277
اليوم : 42193