Quantum random-number generator with non-demolition measurements: semi-device-independent implementation
تقترح هذه الورقة مولداً للقيم العشوائية الكمومية شبه مستقل عن الجهاز يستخدم نظاماً ثلاثي الأجزاء مع قياسات عدم تدمير الكم للمصادقة في آن واحد على التأثيرات الكمومية الحقيقية وتوليد أرقام عشوائية ذات اعتلاج شبه أقصى، مما يلغي الحاجة إلى الفصل المكاني والزماني ويسمح بالتصغير العملي والقابل للتوسع.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
سحر النرد غير المرئي
تخيل أنك تحاول بناء آلة ترمي نردًا عادلاً حقًا. في عالم الفيزياء الكلاسيكية، إذا عرفت بالضبط مدى قوة رميتك للنرد، وزاوية الطاولة، ومقاومة الهواء، يمكنك التنبؤ بالنتيجة في كل مرة. للحصول على "العشوائية" في حاسوب عادي، يتعين علينا الاعتماد على أشياء فوضوية وصعبة القياس مثل توقيت ضغطات مفاتيحك أو حرارة المعالج. لكن هذه الأشياء ليست عشوائية حقًا؛ إنها فقط معقدة للغاية لدرجة يصعب علينا حسابها.
هنا يأتي دور ميكانيكا الكم، كتاب القواعد للعالم المتناهي الصغر. هنا، تمتلك الطبيعة قاعدة متأصلة: بعض الأشياء غير قابلة للتنبؤ بشكل جوهري. لا يمكنك معرفة نتيجة حدث كمي قبل وقوعه، بغض النظر عن مدى معرفتك بالإعدادات. هذا هو "الكأس المقدسة" لإنشاء أرقام عشوائية مثالية، وهي ضرورية للرموز السرية غير القابلة للكسر (التشفير) والاتصالات الآمنة.
ومع ذلك، هناك عقبة. كيف تعرف أن آلتك تستخدم بالفعل هذه القواعد الكمية السحرية وليست مجرد خدعة كلاسيكية ماكرة؟ عادةً، يتعين على العلماء إجراء "اختبار بيل" (Bell test)، والذي يتطلب وضع كاشفين بعيدين عن بعضهما البعض — بعيدين لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الانتقال بينهما بسرعة كافية للغش. وهذا يجعل الأجهزة ضخمة، ومكلفة، ومستحيلة التصغير لتناسب هاتفك أو حاسوبك المحمول. السؤال الكبير هو: هل يمكننا إثبات امتلاكنا لآلة كمية والحصول على أرقامنا العشوائية دون الحاجة إلى مختبرين ضخمين ومنفصلين؟
كازينو الكم في غرفة واحدة
في هذه الورقة البحثية، يقترح الفيزيائيان باولو سوليناس وجوفاني تشيزي طريقة جديدة وذكية لبناء مولد أرقام عشوائية كمي (QRNG) يحل هذه المشكلة. فبدلاً من الحاجة إلى كاشفين متباعدين، يستخدمان نظامًا واحدًا مدمجًا يتكون من ثلاثة أجزاء: "ممثل" واحد (نظام كمي) و"مراقبين" (كاشفين). فكر في الأمر كعرض سحري حيث يؤدي الساحر (النظام الكمي) خدعة، ويشاهد حكمان مختلفان العرض من نفس المسرح للتحقق من السحر وجمع النتائج.
يتضمن الإعداد نظامًا كميًا ثلاثي المستويات (الممثل الخاص بنا) وكاشفين. الكاشف الأول، لنسمه "القاضي الأول"، موجود للتحقق مما إذا كان السحر حقيقيًا. أما الكاشف الثاني، "القاضي الثاني"، فهو الذي يخرج الأرقام العشوائية فعليًا. يستخدم المؤلفان تقنية تسمى "قياس عدم التدمير الكمي" (QNDM). وباللغة البسيطة، هذا يشبه التحقق مما إذا كانت العملة تدور دون إيقافها أو النظر إلى أي جانب هو الأعلى. يمكنك استشعار "الدوران" (الطور الكمي) دون تدمير الحالة، مما يسمح للنظام بالاستمرار في التطور.
إليك الجزء الذكي: يبحث القاضي الأول عن توقيع محدد للسحر الكمي يسمى "السلبية" (negativity). في العالم الكمي، عندما تتداخل المسارات مع بعضها البعض (مثل الأمواج في بركة)، يمكنها إنشاء توزيع "احتمالية شبه" (quasi-probability). أحيانًا، ينخفض هذا التوزيع تحت الصفر. في عالمنا اليومي، لا يمكن أن تكون الاحتمالات سالبة (لا يمكنك أن تقول أن هناك احتمال -50% لهطول المطر). ولكن في هذه المحاكاة الكمية، إذا رأى القاضي الأول هذه الأرقام السالبة، فهذا يثبت أن النظام يستخدم "التراكب الكمي" الحقيقي وليس مجرد خدعة كلاسيكية. أما إذا ظلت الأرقوال موجبة، فإن الآلة ليست سوى حاسبة متطورة.
في هذه الأثناء، ينهمك القاضي الثاني في جمع النتائج العشوائية. ولأن النظام في حالة تراكب كمي، فإن المسار الذي يسلكه النظام هو عبارة عن ضباب من الاحتمالات. عندما يقوم القاضي الثاني بقياس النظام، فإنه يتسبب في انهيار هذا الضباب إلى نتيجة محددة. يوضح المؤلفان أنه من خلال ضبط النظام بعناً، يمكنهم جعل هذه النتائج تظهر بتوزيع منتظم وشبه مثالي. وهذا يعني أن الأرقام العشوائية المولدة تكون غير متوقعة قدر الإمكان، مما يعظم "الاعتلاج" (entropy) (وهي كلمة معقدة تعني العشوائية الحقيقية).
توضح الورقة ذلك باستخدام نموذج محدد بنظام ثلاثي المستويات وكاشفين (أحدهما بمستويين، والآخر بثلاثة مستويات). ومن خلال الحسابات والمحاكاة، يظهرون أنه يمكنهم توليد سلسلة من الأرقام العشوائية المنتظمة بشكل شبه مثالي. في مثالهم، تمكنوا من الحصول على توزيع كان فيه التباين قريبًا جدًا من الحد الأقصى النظري، بفارق قدره حوالي 9.81% فقط عن السلسلة المنتظمة تمامًا. وفي الوقت نفسه، كانت "السلبية" التي رصدها القاضي الأول قوية بما يكفي لإثبات أن العملية هي عملية كمية لا جدال فيها.
ما يجعل هذا الأمر مثيرًا للغاية هو أنه يلغي الحاجة إلى وجود الكاشفات بعيدة عن بعضها البعض. ولأن عملية التحقق تحدث بالتزامن مع عملية التوليد داخل إعداد واحد مدمج، يمكن تصغير حجم الجهاز. يمكنك نظريًا وضع هذا على شريحة. يقترح المؤلفان أن هذا النهج "شبه المستقل عن الأجهزة" (semi-device-independent) يعد خطوة واعدة نحو التقنيات الكمية القابلة للتوسع، مما يسمح لنا بامتلاك مولدات أرقام عشوائية آمنة وعالية الجودة لا تتطلب مختبرًا ضخمًا لإثبات عملها.
باختصار، صمم سوليناس وتشي مخططًا لآلة كمية صغيرة ذاتية الفحص. إنها لا تكتفي برمي النرد فحسب؛ بل تثبت أن النرد عادل وكمي في اللحظة ذاتها، وكل ذلك بينما تستقر في راحة يدك.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.