ذاكرة كمومية

في الحوسبة الكمومية، الذاكرة الكمومية Quantum memory، هي النسخة الميكانيكية-الكمومية لذاكرة الحاسوب الاعتيادية. في حين تُخزن الذاكرة الاعتيادية المعلومات على هيئة وحدات بت تمثل «1» و«0»، تخزن الذاكرة الكمومية الحالة الكمومية للاسترجاع في وقت لاحق. تحتوي هذه الحالات على معلومات حاسوبية مهمة تُعرف بالبت الكمومي. على عكس الحواسيب اليومية الكلاسيكية، يمكن للحالات المخزنة في الذاكرة الكمومية أن تكون عبارة عن تراكبات كمومية، ما يعطي المزيد من المرونة العملية في الخوارزمية الكمومية أكثر من مخزن المعلومات الكلاسيكي.

تُعتبر الذاكرة الكمومية أساسية في تطوير العديد من الأجهزة في مجال معالجة المعلومات الكمومية، من ضمنها أداة مزامنة بإمكانها ربط العديد من العمليات الكمومية في الحاسوب الكمومي، وبوابة كمومية تحتفظ بهوية أي حالة، وآلية لتحويل الفوتونات المعدّة سلفًا إلى فوتونات «حسب الطلب». يمكن استخدام الذاكرة الكمومية في مجالات عديدة، مثل الحوسبة الكمومية وتبادل المعلومات الكمومي. مكّنت الأبحاث والتجارب المستمرة الذاكرة الكمومية من تخزين البت الكمومي.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 خلفية والنظرية

أشعل تفاعل الإشعاع الكمومي مع الجسيمات المتعددة الاهتمامات العلمية خلال العقد الماضي. تُعتبر الذاكرة الكمومية من ضمن هذه الاهتمامات، إذ تقوم بتعيين الحالة الكمومية للضوء ضمن مجموعة من الذرات، من ثم تسترجعها إلى شكلها الأصلي. تُعتبر الذاكرة الكمومية عنصرًا أساسيًا في معالجة المعلومات، مثل الحوسبة الكمومية البصرية وتبادل المعلومات الكمومي، في حين أنها تفتح الباب أمام تفاعل الضوء مع الذرة. كما نعلم جميعًا، فإن استرجاع حالة الضوء الكمومية ليس بالمهمة السهلة. وفي حين حقق العلماء بعض التقدم المبهر، فلا يزالون يعملون لجعل هذا الأمر ممكناً.

لعل الذاكرة الكمومية المستندة إلى التبادل الكمومي تكون ممكنة لتخزين البت الكمومي للفوتونات، وقد ناقش كيسل ومويسيف التخزين الكمومي في حالة الفوتون المفرد عام 1993. حُللت التجربة عام 1998 وبُرهنت عام 2003. يمكن أخذ دراسة التخزين الكمومي بعين الاعتبار، بشكل أساسي، في حالة الفوتون المنفرد المنتج لتكنولوجيا تخزين البيانات الضوئية الكلاسيكية المقترحة بين عامي 1979 و1982. ليس ذلك فحسب، بل وكانت الفكرة ذاتها مستوحاة من الرواج الكبير لفكرة تخزين البيانات في منتصف السبعينيات من القرن العشرين. يمكن تحقيق تخزين البيانات الضوئية باستخدام أجهزة امتصاص لامتصاص ترددات مختلفة من الضوء، والتي تُوجه بعد ذلك إلى نقاط شعاعية في الفضاء وتخزن.

 الأنواع

 الذاكرة الكمومية الصلبة

 الاكتشاف

تُستخدم الذاكرة الكمومية البصرية عادةً لضبط وتخزين حالات الفوتونات المفردة. بكل الأحوال، لا يزال إنتاج مثل هذه الذاكرة الفعالة تحديًا كبيرًا للعلم الحالي. يكون الفوتون المفرد ذا طاقة منخفضة جدًا بحيث لا يُفقد في خلفية ضوئية معقدة. أخمدت هذه الإشكاليات منذ فترة طويلة معدلات تحقيق التخزين الكمومي إلى أقل من 50%. اكتشف فريق بقيادة البروفيسور دو شنجوانغ من قسم الفيزياء بجامعة هونگ كونگ للعلوم والتكنولوجيا ومعهد ويليام مونگ للعلوم النانوية في جامعة هونگ كونگ للعلوم والتكنولوجيا طريقة لزيادة كفاءة الذاكرة الكمومية الضوئية إلى أكثر من 85%. جعل هذا الاكتشاف شعبية أجهزة الحاسوب الكمومية أقرب إلى الواقع. في الوقت نفسه، يمكن أيضًا استخدام ذاكرة الكم كمكرر في الشبكة الكمومية، والذي يضع حجر الأساس للإنترنت الكمومي.

 الأبحاث والتطبيقات

 Orbital angular momentum is stored in basic steam

الكم البصري.

 ذاكرة الصدى المتدرج

GEM(Gradient Echo Memory) is a photonic echo optical storage technology. The idea was first demonstrated by researchers at ANU. Their experiment is a three-level system based on steam. This system is the most efficient we've ever seen in hot steam, up to 87%.

 Electromagnetically induced transparency

انظر أيضاً: Electromagnetically induced transparency

 تطورات مستقبلية

 التشابك الكمومي

في تمكن العلماء من دمج ذاكرتين كموميتين بينهما مسافة أكبر بكثير، مما تم تجربته من قبل، الأمر الذي يعتبر إنجازاً قد يغير طريقة عمل الإنترنت في يوم ما.

يمكن أن يكون الاكتشاف خطوة كبيرة نحو الإنترنت الكمومي، على الرغم من أنه يعد مبكراً للغاية. ويأمل العلماء في أن يسمح الاكتشاف بتطور التشابك عبر المسافات الطويلة وعدد من العقد، والتي ستكون ضرورية لمثل هذه الشبكة.

لطالما كان الباحثون يأملون في تطوير شبكة إنترنت كمومية، وإنشاء نوع جديد من الشبكات التي تستخدم السلوك غير العادي للعالم الكمومي لنقل البيانات بسرعات وأمان محسَّنين إلى حد كبير.

تعمل الشبكة الكمومية بفكرة مشابهة للإنترنت التقليدي، مما يتيح توصيل كميات كبيرة من البيانات عبر مسافات طويلة. لكنها ستفعل ذلك باستخدام وحدات البت الكمومي، أو الكيوبت، بين المعالجات الكمومية - تقديم أنواع جديدة من الاحتمالات بالإضافة إلى الإنترنت الكلاسيكي الحالي.

ولكن للقيام بذلك، ستحتاج تلك الشبكات إلى أن تكون قادرة على نقل الجسيمات المتشابكة، وهي ظاهرة "عصبية" تسمح للجزيئات بالتأثير على بعضها البعض على مسافات كبيرة. في السنوات الأخيرة، كانت هناك تجارب اختراقية للقيام بذلك - والتي سمحت للباحثين بنقل الجسيمات المتشابكة عبر الكابلات أو باستخدام الأقمار الصناعية - ولكن تم تقييدها جميعاً على بعد.

عند استخدام النقل الكمومي عبر هذه المسافة الطويلة، غالباً لا ينجح التوزيع، لأن عمليات الإرسال تضيع وبالتالي لا يمكنها التواصل بشكل موثوق.

حتى الآن، فإن أبعد مسافة تمكن العلماء خلالها من إقامة تشابك للذاكرات الكمومية هو 1.3 كيلومتر. يشير ذلك إلى احتمال وجود صعوبات في توسيع نطاق هذا النظام إلى نطاق يمكن استخدامه فعلياً، مثل إرسال البيانات عبر المدينة.

في هذا البحث الجديد، تمكن المهندسون من نقل الجزيئات المتشابكة على مسافة أكبر بكثير من 50 كم. لقد فعلوا ذلك باستخدام تأثير كمومي معين يسمح بالانتقال بطول محسّن بشكل كبير.

عبر هذه المسافة قد يُسمح بالنقل على مسافات طويلة من النوع الذي يمكن أن يربط المدن ببعضها البعض وتعمل أخيراً على تحقيق حلم الإنترنت الكمومي، وفقاً لما كتبه الباحثون في الورقة البحثية الجديدة التي نشرت في مجلة نيتشر.

وحسب ما جاء في البحث: "إن توسيع نطاق هذه التجارب لتشمل العقد التي تفصل بينها مسافات أطول بكثير ستمكننا من أداء مهام المعلومات الكمومية المتقدمة، مثل النقل الكمومي الفعال عبر المسافات الطويلة".

في هذه الدراسة، درس الباحثون في الكيفية التي يمكن أن ينقلوا بها ذاكرتين كموميتين، وهي النسخة الكمومية من ذاكرة الحاسوب العادية، أو ما يعادلها من ذاكرة القرص الصلب. في حين أن قطعة من ذاكرة الحاسوب ستخزن المعلومات على أنها 1 ثانية أو 0 ثانية، فإن الذاكرة الكمومية ستحتفظ بالحالة الكمومية، مما يسمح نظرياً بحوسبة أكثر قوة.

للتشابك بين هاتين الذاكرتين الكموميتين، اضطر الباحثون إلى إطلاق فوتونات، أو جزيئات فردية من الضوء، على طول الكابل البالغ طوله 50 كيلومتر. بعد شق طريقهما عبر تلك المسافة، تمكنت الذاكرتان من التداخل مع بعضهما البعض، مما أدى إلى نجاح التجربة وإظهار أنه يمكن أن تتشابك ذاكرتان كموميتان على هذه المسافة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 انظر أيضاً

• كيوبت
• الكم