دانلود مقاله مفاهیم پایه تلپورتیشن کوانتومی

بخشی از مقاله

چکیده

دراین مقاله به مبحث مفاهیم پایه تلپورتیشن اطلاعات کوانتومی پرداخته شده است . تلپورتیشن کوانتومی شیوه ای جدید را برای ایجاد ارتباط امن بین فرستنده و گیرنده فراهم می کند که دیگر احتیاجی به رمزنگاری وجودندارد.دراین شیوه ارتباط به کمک زوج های EPR وتک فوتونها صورت می گیرد. دراین روش بااستفاده ازیک سری قوانین وخصوصیات حاکم برسیستم های کوانتومی شیوه ای جدید وایمن برای ارسال اطلاعات فراهم می شود. دراین روش حامل های اطلاعات انتقال پیدا نمی کنند لذاهیچ استراق سمع کننده ای نمی تواند ازپیام ارسالی آگاه شود.در این مقاله بنیان ها و مفاهیم اساسی همچون اطلاعات کوانتومی درمورد فرق بین مخابرات کوانتومی ومخابرات کلاسیکی، درهم تنیدگی کوانتومی وگیت های اصلی وانتقال ارائه می شود.

کلمات کلیدی

تلپورتیشن کوانتومی، اطلاعات کوانتومی، گیت های کوانتومی، حالت درهم تنیده بل

.1مقدمه

به خوبی مشخص است که در تمامی روشهای کلاسیک رمزنگاری و ارسال اطلاعات نمی توان ایمنی کامل را به صورت نظری به اثبات رساند. و تمامی این روشها قابل نفوذ می باشند و یک استراق کننده با اعمال روشـهای مناسب می تواند به اطلاعات ارسالی دست پیدا کند.تلاش برای پیداکردن روشهای نوین و امن مراسـله و پـردازش اطلاعات با استفاده از نظریه کوانتومی بـا ارائـه اولـین پروتکـل رمزنگـاری کوانتـومی درسـال 1984 وتلپورتیشـن کوانتومی به طورجدی آغازشد.امروزه این دو روش جدید پایه های نوع نوین وکـاملا امنـی ازمخـابرات موسـوم بـه مخابرات کوانتومی راتشکیل می دهند. در اینجا با بررسی اجمالی خواص حاکم بر یک سیسـتم کوانتـومی فراینـد تلپورتیشن کوانتومی به عنوان یکی از پایه های مخابرات کوانتومی را بررسی می کنیم .

بی شک مکانیک کوانتومی در پیشبرد اهداف بشرامروز نقش بی بـدیلی را بـه خـود اختصـاص داده اسـت. مکانیک کوانتومی می تواند از راه های مختلف در انتقال اطلاعات مورد استفاده قرارگیـرد تلپورتیشـن کوانتـومی فرایندی است که به وسیلهی آن اطلاعات کوانتومی را میتوان از یک محـل بـه محـل دیگـر بـا کمـک ارتباطـات کلاسیک و حصار کوانتومی مشترک بین محـل فرسـتنده و گیرنـده، انتقـال داد. چـون کـه انتقـال کوانتـومی بـه ارتباطات کلاسیک بستگی دارد که سریعتر از سرعت نور صورت نمیگیرد از ایـن رو نمیتـوان آن را بـرای انتقـال فوقنوری یا ارتباطات بیتهای کلاسیک بکار برد. همچنین نمیتوان آن را برای ایجاد کپیهـایی از سیسـتم بکـار برد. زیرا که این امرمنجر به نقض قضیه عدمتکثیر میشود. با وجود اینکه نام آن به وسیله انتقال (جابجـایی فـرد)

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد کرمانشاه، کرمانشاه، ایران. 2 عضوهیات علمی، گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد کرمانشاه، کرمانشاه، ایران.

عموماً بکار رفته در داستانها الهام گرفته است با این حال تکنولوژی کنونی هـیچ احتمـالی چیـزی مشـابه شـکل داستانی انتقال ارائه نمیکند. در حالی که میتوان یک یا چند کیوبیت اطلاعات را بین دو اتم[1,2.3]انتقال داد با این حال این امر هنوز بین ملکولها یا چیزی بزرگتر بدست نیامده است. ممکن است انتقال به عنوان نوعی حمـل و نقل یا به عنوان ارتباطات در نظر گرفته شود؛ روشی از انتقال کوبیت از یک محل به محل دیگر ارائـه میکنـد و نیازی به حرکت ذره فیزیکی در طول آن نیست.

مقالهای که اولین بار[4] این ایده را شرح داد به وسیله بنت، براسارد ،کرپـی و جـوزا و پـرس و ووتـر در سـال [5] 1993 منتشر شده بود. از آن پس، انتقال کوانتومی در سیستمهای فیزیکی مختلفی تحقق یافته بود. در حال حاضر، فاصلهی رکورد برای انتقال کوانتومی برابر بـا 143 کیلـومتر بـا فوتونهـا و 21 متـر بـا سیسـتمهای مـاده میباشد.[6] در اگوست 2013، دستاورد انتقال کوانتومی کاملاً» تعیینکننده« با استفاده از یک تکنیـک ترکیبـی گزارش شده بود. در 29 می 2014،[7] دانشمندان روش مطمئنی از انتقال دادهها به وسـیله انتقـال کوانتـومی را اعلام کردند.[8] انتقال کوانتومی دادهها قبلاً انجام شده است امـا بـا روشهـای خیلـی نـامطمنی صـورت گرفتـه است.[9,10]

.2اطلاعات کوانتومی

شکل زیریک نمودارکلی ازنظریه اطلاعات کوانتومی است که درابتدا راجب مخابرات کوانتومی صحبت می کنیم وبعدانتقال کوانتومی راتشریح می کنیم. تفاوت اساسی مخابرات کوانتومی در مقایسه با مخابرات کلاسیک نوع اطلاعات مخابره شونده است. در مخابرات کوانتومی اطلاعات در حالات کوانتومی قرار دارند و اساس مخابرات کوانتومی ارسـال و دریافت این حالات کوانتومی است. از حالات کوانتومی که در مخابرات کوانتومی قابل استفاده اند می تـوان بـه اسـپین الکترون و پلاریزاسیون فوتون اشاره کرد. در گیرنده وفرستنده سیستم مخابرات کوانتـومی نیازمنـد پـردازش اطلاعـات کوانتومی هستیم. برای این منظور متناظر با حالت کلاسیک درپردازش اطلاعات کوانتـومی نیـز گیـت هـای کوانتـومی تعریف می شوند. در ادامه علاوه بر مرور مختصری بر مفهوم بیت های کوانتومی، گیت های کوانتومی نیـز معرفـی مـی شوند.

نمودار : 1 نمای کلی ازنظریه اطلاعات کوانتومی

.1 .2 بیت وکیوبیت

بیتها واحدهایاطلاعات هستند و عمدتاً با استفاده از صفر یا یک، صحیح یا اشتباه ارائه میشوند. این بیتها گاهی اوقات بیتهای کلاسیک نامیده میشوند تا آنها را از بیتهای کوانتومی یا کوبیتها متمایز ساخت. کیوبیتها نیز یک نوع اطلاعات به نام اطلاعات کوانتومی رمزگذاری میکنند که خیلی از اطلاعات کلاسیک متفاوت است. به عنوان مثال، یک کیوبیت را نمیتوان برای رمزگذاری بیت کلاسیک بکار برد. به طور معکوسی، بیتهای کلاسیک را نمیتوان

برای رمزگذاری کیوبیتها بکار برد: این دو کاملاً متمایز بوده اما قابل تبدیل به یکدیگر نیستند. کیوبیتها خیلی از ×بیتهای کلاسیک متفاوت میباشند: آنها را نمیتوان کپی کرد و نمیتوان آنها را تخریب کرد.
انتقال کوانتومی، مکانیسمی از حرکت کیوبیت از یک محل به محل دیگر بدون نیاز به انتقال فیزیکی ذرهی متضمنی که کیوبیت به آن متصل است، ارائه میکند. همانند ابداع تلگراف که انتقال بیتهای کلاسیک با سرعت بالا بین قارهها را امکانپذیر ساخت، انتقال کوانتومی این نوید را دارد که یک روز کیوبیتها نیز این چنین حرکت میکنند. با این حال ×از تاریخ 2013، تنها فوتونها و اتمهای یگانه انتقال یافتهاند. ثبتهای ویژهی فاصله و کمیت در زیر بیان میشوند.

حرکت کیوبیتها به حرکت »اشیاء« نیاز ندارد؛ به ویژه پروتکل انتقال واقعی ملزم میدارد که یک حالت کوانتوم یچیدهپ یا حالت بل ایجاد شود و دو جزء آن بین دو محل باشتراک گذاشت. اساساً نوع معینی از »مجرای کوانتومی« بین دو محل بایستی ایجاد شود تا کیوبیت بتواند حرکت کند. انتقال همچنین نیازمند ایجاد لینک اطلاعات کلاسیک است زیرا که دو بیت کلاسیک بایستی همراه با یک کیوبیت انتقال یابند. نیاز برای چنین لینکهایی ممکن است در وهلهی نخست ناامیدکننده بنظر برسد؛ با این حال این امر برخلاف ارتباطات عادی است که نیازمند سیم، رادیو یا لیزر است. علاوه براین، حالتهای بل به سادگی با استفاده از فوتونهای لیزرها باشتراک گذاشته میشوند و از این رو انتقال ×را میتوان از طریق فضای باز انجام داد.

.2 .2 گیت های کوانتومی

در بحث انتقال اطلاعات باید پردازش اطلاعات کوانتومی نیـز مـورد بررسـی قرارگیـرد کـه درمـورد پـردازش اطاعـات کوانتومی چهار گیت اصلی وجود دارد که تمام پردازش های کوانتومی بوسیله ایـن چهـار گیـت قابـل پیـاده سـازی هستند .در زیر بطور مختصر این گیت ها معرفی می شوند.

.1 .2 .2 گیت CNOT

این گیت دارای دو ورودی است و در صورتیکه ورودی اول یا همان کیوبیت اول یک باشد، کیوبیت دوم را تغییر می دهد، یعنی اگر کیوبیت دوم یک بود آن را به صفر و اگر مقدار آن صفر بود آن را به یک تبدیل می کند. در صورتیکه کیوبیت اول صفر باشد تغییری رخ نخواهد داد.
00 00   0 0 0 1 (1) F 


01  01   
 0 0 1 0

CNOT  1 0 0 0
11 10 

  
10 11   0 1 0 0



×

×

1 0
پس:  0  0
   00    10
 0  1
   
 0  0
0 0
 1  0
   01    11
 0  0
   
×  0  1
(2)

.2 .2 .2 گیت هادامارد