تمكن الفيزيائيون من حل مشكلة رياضية طويلة الأمد باستخدام إحدى النظريات الأساسية لنظرية المعلومات الكمومية، وهي نظرية الكم المعممة لستاين. تشكل هذه النظرية الأساس للأفكار الحديثة حول كيفية التمييز بين الحالات الكمومية وكيفية تحويل “الموارد الكمومية” إلى بعضها البعض. تم نشر العمل في مجلة Nature Physics.
تدرس نظرية المعلومات الكمومية طرق تخزين ومعالجة البيانات في الأنظمة التي تخضع لقوانين ميكانيكا الكم. وفي هذا الاتجاه، يجري تطوير ما يسمى بنظرية الموارد ــ وهي نظرية شكلية تصف التحولات الممكنة إذا سمح لمجموعة محدودة فقط من العمليات. إحدى الركائز الأساسية هنا هي معادلة ستاين الكمومية المعممة، والتي تمت صياغتها في عام 2008، والتي تصف مدى فعالية تمييز الحالة الكمومية عن مجموعة من الحالات البديلة.
قبل بضع سنوات، اكتشف الباحثون أن هناك خطأ منطقيا في البرهان الأصلي للنظرية. وهذا يثير تساؤلات حول صحة بعض الأعمال التي تستخدم هذه النتيجة. وقد بُذلت جهود لسد هذه الفجوة من قبل ولكنها لم تكن ناجحة.
الآن، حاول مؤلفو الورقة الجديدة إعادة بناء الدليل بدقة من خلال تقديم حجج رياضية إضافية وإزالة الافتراضات المثيرة للجدل. ووفقا لهم، فإن هذا يسمح بإعادة استخدام ليما ستاين كأداة موثوقة في نظرية المعلومات الكمومية.
يشرح أحد مؤلفي البحث: “إن معادلة شتاين الكم المعممة هي بيان لحدود الفرضية الكمومية. والمشكلة هي أن البرهان السابق لم يأخذ في الاعتبار جميع الشروط اللازمة لمجموعة الحالات البديلة.”
أظهر العلماء خلال أبحاثهم أن تحول الموارد الكمومية يخضع لقانون عالمي مشابه للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. وهذا يعني أنه يمكن مقارنة الأنواع المختلفة من الموارد الكمومية وتحويلها إلى بعضها البعض وفقًا لقواعد موحدة، بناءً على سرعة ذلك التحويل.
وأشار الباحثون: «في الواقع، نجحنا في إعادة تأسيس «القانون الثاني» لنظريات الموارد الكمومية».
ووفقًا لهم، فإن هذه النتيجة مهمة ليس فقط للفيزياء الأساسية ولكن أيضًا للمشكلات العملية: فهي توفر أساسًا رياضيًا أكثر موثوقية لتقييم قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية والأجهزة الكمومية الأخرى.
في المستقبل، يخطط المؤلفون لتطوير هذه الطريقة لوصف ما يسمى بالموارد الكمومية الديناميكية – العمليات والأنشطة، وليس الحالات فقط. يمكن أن يساعد هذا في فهم حدود التحكم في الأنظمة الكمومية بشكل أفضل ويؤدي إلى إنشاء تقنيات كمومية أكثر كفاءة.