داده‌های کوانتومی نسبتاً متفاوت هستند و نمی‌توان بسادگی فرکانس 1s و 0s را در یک رشته اطلاعات کوانتومی تعیین کرد. این مسئله از طبیعت عجیب و غریب کیوبیت‌ها نشات می‌گیرد که بر خلاف بیت‌های کلاسیکی می‌توانند ۱ یا ۰ یا یک «برهم‌نهی» از این دو مقدار باشند. در واقع کاربر می‌تواند جهت ثبت «یک-بودن» یک بیت اندازه‌گیری را انجام دهد اما چنان اندازه‌گیری هر اطلاعاتی در مورد «صفر-بودن» آن کیوبیت را از بین خواهد برد. علاوه بر این٬ اگر یک کاربر پس از آن کیوبیت ثانوی که به روش مشابهی آماده شده است را اندازه بگیرد٬ ممکن است مقدار متفاوتی برای «یک-بودن» آن بدست آورد چون کیوبیت‌ها مقادیر یکتایی را مشخص نمی‌کنند و فقط احتمال نتایج اندازه‌گیری مشخص می‌شود. به نظر می‌رسد این ویژگی حتی مانع فشرده‌سازی کیوبیت‌های یکسان شود٬ چون راهی وجود ندارد که پیش‌بینی کنیم این کیوبیت‌ها سرانجام چه مقادیر کلاسیکی را به خود می‌گیرند.

گامی رو به جلو

در سال ۲۰۱۰ فیزیک‌دانانی به نام مارتین پلش (Martin Plesch) و ویلادیمیر بوزک (Vladimír Bužek) از فرهنگستان علوم اسلوواک در براتیسلاوا (Bratislava) متوجه شدند که هرچند امکان این وجود ندارد که داده‌های کوانتومی را به اندازه‌ی داده‌های کلاسیکی فشرده کرد اما می‌توان تاحدودی این کار فشرده‌سازی را انجام داد.

به گفته‌ی آیفریم استاینبرگ (Aephraim Steinberg) از دانشگاه تورنتو: «به این طریق شما می‌توانید کیوبیت‌ها را تازمانی نگه‌داری کنید که بدانید در پی پاسخگویی به چه سوالی هستید٬ اگر بخواهید x را بدانید می‌توانید x را اندازه‌گیری کنید٬ اگر بخواهید به z دست یابید می‌توانید z را اندازه‌گیری کنید- درحالی‌که اگر کیوبیت‌ها را نگه‌داری نکنید بایستی آن اندازه‌گیری را انتخاب کنید که می‌خواهید همین حالا آن را انجام دهید».

اکنون استاینبرگ و همکارانش فشرده‌سازی کوانتومی را برای نخستین بار با کیوبیت‌های فوتونی به اثبات رسانده‌اند. چون کیوبیت‌های کوانتومی در حال حاضر به دشواری بسیار در گیت‌های منطقی کوانتومی پیش می‌روند٬ گروه استاینبرگ به یک فناوری متوسل شده که به اندازه‌گیری بر پایه‌ی محاسبه کوانتومی معروف است. در این فناوری٬ خروجی یک گیت منطقی به شکل «توکار» در کیوبیت‌هایی وجود دارد که از منبع یکسانی آماده و درهم‌تنیده شده‌اند. جزئیات این فناوری پیچیده است اما پژوهش‌گران با این کار انتقال طبیعت احتمالی سه کیوبیت‌ به دو کیوبیت را مدیریت کرده‌اند.

یک ترفند خوب

به بیان پلش این اولین بار است که فشرده‌سازی داده‌های کوانتومی تحقق یافته است. وی معتقد است استاینبرگ و همکارانش حُقه‌ی خوبی را بکار برده‌اند. وی می‌افزاید: «با این وجود این رهیافت برای اعمال بر روی تعداد بسیار زیادی از کیوبیت‌ها دشوار است. با این حال به این کار به عنوان اثبات مفهومی بسیار خوبی نگاه می‌کنم که در آینده از آن بهره‌مند می‌شویم».

به زعم استاینبرگ فشرده‌سازی کوانتومی در ابعاد بزرگ ممکن است با انواع مختلفی از کیوبیت‌ها٬ همچون یون‌های به دام افتاده٬ امکان‌پذیر باشد که اثبات شده مدیریت این یون‌ها در هنگردهای بزرگ راحت‌تر است. یک استفاده‌ی کاربردی از این فرآیند در قطعات کوانتومی خواهد بود که از فرآیند توموگرافی کوانتومی استفاده می‌کنند. در این قطعات کیوبیت‌های یکسانِ فراهم‌شده در طول یک قطعه‌ی کوانتومی فرستاده می‌شوند تا عملکرد صحیح آن را بررسی کنند. به بیان استاینبرگ با فشرده‌سازی کوانتومی می‌توان آزمایش توموگرافی را انجام داد و سپس تصمیم گرفت که کدام جنبه از قطعه را می‌خواهید بیازمایید.

اما در عین حال استاینبرگ می‌گوید نمایش چنان فرآیندی چشم‌انداز دیگری از عجایب دنیای کوانتومی را بدست می‌دهد. وی می‌گوید: «اگر کتابی داشته باشید که مملو از تنها یک‌ها باشد می‌توانید بسادگی به دوست خود بگوئید کتاب پر از یک‌هاست. اما به زبان مکانیک کوانتومی این در حال حاضر درست نیست. حتی اگر من میلیاردها فوتون یکسان آماده شده را به شما تحویل بدهم شما قادر خواهید بود تا  اطلاعات مختلفی را از هریک استخراج کنید. برای آن‌که حالات آن‌ها را کاملاً توصیف کنید به بی‌نهایت اطلاعات کلاسیکی نیاز خواهید داشت.»

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز توصیف شده است.     

درباره‌ی نویسنده:

جان کارترایت (Jon Cartwright) روزنامه‌نگار آزاد در بریستول انگلستان است.

منبع:

Quantum data are compressed for the first time