Kvantinė teleportacija yra vienas iš svarbiausių kvantinės informacijos protokolų. Remiantis fiziniais įsipainiojimo ištekliais, jis yra pagrindinis įvairių informacinių užduočių elementas ir yra svarbus kvantinių technologijų komponentas, vaidinantis pagrindinį vaidmenį toliau plėtojant kvantinį skaičiavimą, tinklus ir komunikaciją.
Nuo mokslinės fantastikos iki mokslininkų atradimų
Praėjo daugiau nei du dešimtmečiai nuo kvantinės teleportacijos atradimo, kuris, ko gero, yra viena įdomiausių ir įdomiausių kvantinės mechanikos „keistumo“pasekmių. Prieš darant šiuos puikius atradimus, ši idėja priklausė mokslinės fantastikos sričiai. Pirmą kartą 1931 m. Charleso H. Forto sukurtas terminas „teleportacija“nuo tada buvo vartojamas nurodant procesą, kurio metu kūnai ir objektai perkeliami iš vienos vietos į kitą, iš tikrųjų nenukeliaudami atstumo tarp jų.
1993 m. buvo paskelbtas straipsnis, kuriame aprašomas kvantinės informacijos protokolas, vadinamas„kvantinė teleportacija“, kuri turėjo keletą pirmiau išvardytų savybių. Joje išmatuojama nežinoma fizinės sistemos būsena ir vėliau atkuriama arba „perrenkama“atokioje vietoje (fiziniai pirminės sistemos elementai lieka perdavimo vietoje). Šis procesas reikalauja klasikinių ryšio priemonių ir neapima FTL ryšio. Tam reikia įsipainiojimo resurso. Tiesą sakant, teleportacija gali būti vertinama kaip kvantinės informacijos protokolas, kuris aiškiausiai parodo įsipainiojimo pobūdį: be jo buvimo tokia perdavimo būsena nebūtų įmanoma pagal kvantinę mechaniką apibūdinančius dėsnius.
Teleportacija vaidina aktyvų vaidmenį plėtojant informacijos mokslą. Viena vertus, tai konceptualus protokolas, vaidinantis lemiamą vaidmenį plėtojant formaliosios kvantinės informacijos teoriją, kita vertus, tai yra esminis daugelio technologijų komponentas. Kvantinis kartotuvas yra pagrindinis komunikacijos dideliais atstumais elementas. Kvantinio jungiklio teleportacija, matmenimis pagrįstas skaičiavimas ir kvantiniai tinklai yra to dariniai. Jis taip pat naudojamas kaip paprastas įrankis tiriant „ekstremalią“fiziką, susijusią su laiko kreivėmis ir juodųjų skylių garavimu.
Šiandien kvantinė teleportacija patvirtinta laboratorijose visame pasaulyje, naudojant daugybę skirtingų substratų ir technologijų, įskaitant fotoninius kubitus, branduolinį magnetinį rezonansą, optinius režimus, atomų grupes, įstrigusius atomus irpuslaidininkines sistemas. Teleportacijos nuotolio srityje pasiekti išskirtiniai rezultatai, ateina eksperimentai su palydovais. Be to, buvo pradėti bandymai išplėsti iki sudėtingesnių sistemų.
Kubitų teleportavimas
Kvantinė teleportacija pirmą kartą buvo aprašyta dviejų lygių sistemoms, vadinamiesiems kubitams. Protokole laikomos dvi tolimos šalys, vadinamos Alisa ir Bobu, kurios dalijasi 2 kubitais, A ir B, grynai susipynusios būsenos, taip pat vadinamos Bell pora. Įvestyje Alisai suteikiamas dar vienas kubitas a, kurio būsena ρ nežinoma. Tada ji atlieka bendrą kvantinį matavimą, vadinamą varpo aptikimu. Vienoje iš keturių Bell būsenų reikia a ir A. Dėl to matavimo metu Alisos įvesties kubito būsena išnyksta, o Bobo B kubitas tuo pačiu metu projektuojamas į Р†kρP k. Paskutiniame protokolo etape Alisa siunčia klasikinį matavimo rezultatą Bobui, kuris naudoja Pauli operatorių Pk, kad atkurtų pradinį ρ.
Pradinė Alisos kubito būsena laikoma nežinoma, nes kitu atveju protokolas sumažinamas iki nuotolinio matavimo. Arba ji pati gali būti didesnės sudėtinės sistemos, bendrinamos su trečiąja šalimi, dalis (tokiu atveju norint sėkmingai teleportuoti reikia atkurti visas sąsajas su ta trečiąja šalimi).
Tipiniame kvantinės teleportacijos eksperimente daroma prielaida, kad pradinė būsena yra gryna ir priklauso ribotai abėcėlei,pavyzdžiui, šeši Blocho sferos poliai. Esant dekoherencijai, atkurtos būsenos kokybę galima kiekybiškai įvertinti teleportacijos tikslumu F ∈ [0, 1]. Tai yra Alisos ir Bobo būsenų tikslumas, suvidurkintas pagal visus varpelio aptikimo rezultatus ir pradinę abėcėlę. Esant mažoms tikslumo reikšmėms, yra metodų, leidžiančių netobulai teleportuoti nenaudojant užtemdytų išteklių. Pavyzdžiui, Alisa gali tiesiogiai išmatuoti savo pradinę būseną, nusiųsdama rezultatus Bobui, kad šis paruoštų gautą būseną. Ši matavimo paruošimo strategija vadinama „klasikine teleportacija“. Jo maksimalus tikslumas yra Fclass=2/3 savavališkai įvesties būsenai, kuri yra lygiaverčiai abipusiai nešališkų būsenų abėcėlei, pavyzdžiui, šešiems Blocho sferos poliams.
Taigi, aiškus kvantinių išteklių naudojimo požymis yra tikslumo reikšmė F> Fclass.
Nė vieno kubito
Pagal kvantinę fiziką teleportacija neapsiriboja kubitais, ji gali apimti daugiamates sistemas. Kiekvienam baigtiniam matmeniui d galima suformuluoti idealią teleportacijos schemą, naudojant maksimaliai susipynusių būsenų vektorių bazę, kurią galima gauti iš nurodytos maksimaliai įsipainiojusios būsenos ir pagrindo {Uk} vienetiniai operatoriai, atitinkantys tr(U †j Uk)=dδj, k . Tokį protokolą galima sukurti bet kuriam baigtinių matmenų Hilbertuierdves vadinamosios. diskrečiųjų kintamųjų sistemos.
Be to, kvantinė teleportacija taip pat gali būti išplėsta į sistemas su begalinės dimensijos Hilberto erdve, vadinamomis nuolatinių kintamųjų sistemomis. Paprastai jie realizuojami optiniais bozoniniais režimais, kurių elektrinį lauką galima apibūdinti kvadratūros operatoriais.
Greičio ir neapibrėžtumo principas
Koks kvantinės teleportacijos greitis? Informacija perduodama greičiu, panašiu į tą patį klasikinio perdavimo greitį – galbūt šviesos greičiu. Teoriškai jis gali būti naudojamas taip, kaip klasikinis negali – pavyzdžiui, kvantiniame skaičiavime, kur duomenys prieinami tik gavėjui.
Ar kvantinė teleportacija pažeidžia neapibrėžtumo principą? Anksčiau į teleportacijos idėją mokslininkai nežiūrėjo labai rimtai, nes buvo manoma, kad tai pažeidžia principą, kad bet koks matavimo ar skenavimo procesas neišgaus visos atomo ar kito objekto informacijos. Pagal neapibrėžtumo principą, kuo tiksliau nuskenuojamas objektas, tuo labiau jį veikia nuskaitymo procesas, kol pasiekiamas taškas, kai pradinė objekto būsena pažeidžiama tiek, kad jo gauti nebeįmanoma. pakankamai informacijos, kad būtų sukurta tiksli kopija. Tai skamba įtikinamai: jei asmuo negali išgauti informacijos iš objekto, kad sukurtų tobulą kopiją, tada paskutinės kopijos padaryti nepavyks.
Kvantinė teleportacija manekenams
Tačiau šeši mokslininkai (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez ir William Wuthers) rado būdą, kaip apeiti šią logiką, naudodami garsiąją ir paradoksalią kvantinės mechanikos ypatybę, žinomą kaip Einšteino-Podolskio. Roseno efektas. Jie rado būdą nuskaityti dalį teleportuoto objekto A informacijos, o likusią nepatikrintą dalį per minėtą efektą perkelti į kitą objektą C, kuris niekada nebuvo kontaktavęs su A.
Be to, taikydami C įtaką, kuri priklauso nuo nuskaitytos informacijos, prieš nuskaitydami galite perkelti C į A būseną. Pats A nebėra tos pačios būsenos, nes jį visiškai pakeitė nuskaitymo procesas, todėl buvo pasiekta teleportacija, o ne replikacija.
Kova dėl diapazono
- Pirmąją kvantinę teleportaciją 1997 m. beveik vienu metu atliko Insbruko ir Romos universitetų mokslininkai. Eksperimento metu pradinis fotonas, turintis poliarizaciją, ir vienas iš įsipainiojusių fotonų poros buvo pakeisti taip, kad antrasis fotonas gautų pirminio poliarizaciją. Šiuo atveju abu fotonai buvo nutolę vienas nuo kito.
- 2012 m. įvyko kita kvantinė teleportacija (Kinija, Mokslo ir technologijos universitetas) per aukštų kalnų ežerą 97 km atstumu. Mokslininkų komandai iš Šanchajaus, vadovaujamai Huang Yin, pavyko sukurti nukreipimo mechanizmą, kuris leido tiksliai nukreipti spindulį.
- Tų pačių metų rugsėjį buvo atlikta rekordinė 143 km kvantinė teleportacija. Austrijos mokslininkai iš Austrijos mokslų akademijos ir universitetoViena, vadovaujama Antono Zeilingerio, sėkmingai perkėlė kvantines būsenas tarp dviejų Kanarų salų – La Palmos ir Tenerifės. Eksperimente buvo naudojamos dvi optinės komunikacijos linijos atviroje erdvėje, kvantinės ir klasikinės, su dažniu nekoreliuota poliarizacija supainiota š altinio fotonų pora, itin mažo triukšmo vieno fotono detektoriai ir susieto laikrodžio sinchronizacija.
- 2015 m. JAV nacionalinio standartų ir technologijų instituto mokslininkai pirmą kartą per optinį skaidulą perdavė informaciją daugiau nei 100 km atstumu. Tai tapo įmanoma dėl institute sukurtų vieno fotono detektorių, naudojant superlaidžius nanolaidelius, pagamintus iš molibdeno silicido.
Akivaizdu, kad idealios kvantinės sistemos ar technologijos dar nėra, o didieji ateities atradimai dar laukia. Nepaisant to, galima pabandyti nustatyti galimus kandidatus konkrečiose teleportacijos programose. Tinkamas jų hibridizavimas, atsižvelgiant į suderinamą sistemą ir metodus, galėtų suteikti perspektyviausią kvantinės teleportacijos ir jos pritaikymo ateitį.
Trumpi atstumai
Teleportacija nedideliais atstumais (iki 1 m), kaip kvantinio skaičiavimo posistemė, yra perspektyvi puslaidininkiniams įrenginiams, iš kurių geriausia yra QED schema. Visų pirma, superlaidūs transmono kubitai gali garantuoti deterministinę ir didelio tikslumo lusto teleportaciją. Jie taip pat leidžia tiesioginį tiekimą realiuoju laiku, kurisatrodo problemiškai ant fotoninių lustų. Be to, jie suteikia labiau keičiamo dydžio architektūrą ir geresnę esamų technologijų integraciją, palyginti su ankstesniais metodais, tokiais kaip įstrigę jonai. Šiuo metu vienintelis šių sistemų trūkumas yra ribotas darnos laikas (<100 µs). Šią problemą galima išspręsti integruojant QED grandinę su puslaidininkių sukimosi ansamblio atminties ląstelėmis (su azotu pakeistomis laisvomis vietomis arba retųjų žemių legiruotais kristalais), kurie gali užtikrinti ilgą kvantinių duomenų saugojimo darnos laiką. Šiuo metu mokslo bendruomenė deda daug pastangų dėl šio įgyvendinimo.
Miesto komunikacija
Teleportacijos ryšį miesto mastu (kelių kilometrų) būtų galima sukurti naudojant optinius režimus. Su pakankamai mažais nuostoliais šios sistemos užtikrina didelį greitį ir pralaidumą. Juos galima išplėsti nuo stalinių kompiuterių iki vidutinio nuotolio sistemų, veikiančių per orą arba šviesolaidį, su galimybe integruoti su ansamblio kvantine atmintimi. Didesnius atstumus, bet mažesnį greitį galima pasiekti naudojant hibridinį metodą arba kuriant gerus kartotuvus, pagrįstus ne Gauso procesais.
Tolimasis ryšys
Kvantinė teleportacija dideliais atstumais (daugiau nei 100 km) yra aktyvi sritis, tačiau vis dar susiduriama su atvira problema. Poliarizacijos kubitai -geriausi nešėjai mažos spartos teleportacijai ilgomis šviesolaidinėmis jungtimis ir belaidžiu ryšiu, tačiau protokolas šiuo metu yra tikėtinas dėl neišsamaus varpelio aptikimo.
Nors tikimybinė teleportacija ir įsipainiojimas yra priimtini tokioms problemoms kaip įsipainiojimo distiliavimas ir kvantinė kriptografija, tai aiškiai skiriasi nuo ryšio, kai įvestis turi būti visiškai išsaugota.
Jei sutiksime su šiuo tikimybiniu pobūdžiu, tai palydovinės technologijos yra pasiekiamos šiuolaikinėmis technologijomis. Be sekimo metodų integravimo, pagrindinė problema yra dideli nuostoliai, atsirandantys dėl spindulio sklaidos. Tai galima įveikti konfigūracijoje, kai įsipainiojimas paskirstomas iš palydovo į didelės apertūros antžeminius teleskopus. Darant prielaidą, kad palydovo diafragma yra 20 cm 600 km aukštyje ir 1 m teleskopo diafragma ant žemės, galima tikėtis apie 75 dB nukreipimo nuostolių, o tai yra mažiau nei 80 dB nuostoliai žemės lygyje. Žemė–palydovas arba palydovas–palydovas diegimas yra sudėtingesnis.
Kvantinė atmintis
Būsimas teleportacijos kaip keičiamo dydžio tinklo dalies naudojimas tiesiogiai priklauso nuo jos integracijos su kvantine atmintimi. Pastarasis turėtų turėti puikią spinduliuotės ir medžiagos sąsają, atsižvelgiant į konversijos efektyvumą, įrašymo ir skaitymo tikslumą, saugojimo laiką ir pralaidumą, didelę spartą ir talpą. PirmasSavo ruožtu tai leis naudoti reles, kad ryšys būtų išplėstas toli už tiesioginio perdavimo naudojant klaidų taisymo kodus. Geros kvantinės atminties sukūrimas leistų ne tik paskirstyti įsipainiojimą tinkle ir teleportuoti ryšį, bet ir nuosekliai apdoroti saugomą informaciją. Galiausiai tai gali paversti tinklą visame pasaulyje paskirstytu kvantiniu kompiuteriu arba ateities kvantinio interneto pagrindu.
Daug žadantys pokyčiai
Atominiai ansambliai tradiciškai buvo laikomi patraukliais dėl efektyvaus šviesos konvertavimo į medžiagą ir milisekundžių gyvavimo trukmės, kuri gali siekti 100 ms, reikalingų šviesai perduoti pasauliniu mastu. Tačiau šiandien tikimasi daug žadančių pokyčių, pagrįstų puslaidininkių sistemomis, kuriose puiki sukimosi ansamblio kvantinė atmintis yra tiesiogiai integruota su keičiamo dydžio QED grandinės architektūra. Ši atmintis gali ne tik prailginti QED grandinės koherentiškumo laiką, bet ir suteikti optinės-mikrobangų sąsają, skirtą optinių telekomunikacijų ir lustų mikrobangų fotonams konvertuoti.
Todėl būsimi mokslininkų atradimai kvantinio interneto srityje greičiausiai bus pagrįsti didelio nuotolio optiniu ryšiu, sujungtu su puslaidininkiniais mazgais kvantinei informacijai apdoroti.
