A kvantumteleportáció a kvantuminformációk egyik legfontosabb protokollja. Az összefonódás fizikai erőforrása alapján különféle információs feladatok fő elemeként szolgál, és a kvantumtechnológiák fontos alkotóeleme, kulcsszerepet játszik a kvantumszámítástechnika, a hálózatok és a kommunikáció továbbfejlesztésében.
A sci-fitől a tudósok felfedezéséig
Több mint két évtized telt el a kvantumteleportáció felfedezése óta, amely a kvantummechanika „furcsaságának” talán az egyik legérdekesebb és legizgalmasabb következménye. Mielőtt ezekre a nagyszerű felfedezésekre sor került volna, ez az ötlet a sci-fi birodalmába tartozott. Először 1931-ben Charles H. Fort használta a "teleportáció" kifejezést azóta is arra a folyamatra utal, amelynek során a testek és tárgyak egyik helyről a másikra kerülnek anélkül, hogy ténylegesen megtennék a köztük lévő távolságot.
1993-ban megjelent egy cikk, amely a kvantuminformációs protokollt ismerteti, ún."kvantum teleportáció", amely a fent felsorolt tulajdonságok közül többen is megosztott. Ebben egy fizikai rendszer ismeretlen állapotát mérik, majd egy távoli helyen reprodukálják vagy "újra összeállítják" (az eredeti rendszer fizikai elemei az átviteli helyen maradnak). Ez a folyamat klasszikus kommunikációs eszközöket igényel, és kizárja az FTL kommunikációt. Szüksége van egy összefonódási forrásra. Valójában a teleportáció egy kvantuminformációs protokollnak tekinthető, amely a legvilágosabban mutatja be az összefonódás természetét: jelenléte nélkül a kvantummechanikát leíró törvények keretein belül nem lenne lehetséges egy ilyen átviteli állapot.
A teleportáció aktív szerepet játszik az információtudomány fejlődésében. Egyrészt a formális kvantuminformáció-elmélet fejlődésében meghatározó koncepcionális protokoll, másrészt számos technológia alapvető alkotóeleme. A kvantumismétlő a nagy távolságok közötti kommunikáció kulcseleme. A kvantumkapcsolós teleportáció, a dimenzióalapú számítástechnika és a kvantumhálózatok mind ennek származékai. Egyszerű eszközként is használatos az időgörbék és a fekete lyukak párolgása tekintetében az "extrém" fizika tanulmányozására.
Ma a kvantumteleportációt világszerte laboratóriumokban erősítették meg számos különböző szubsztrátum és technológia alkalmazásával, beleértve a fotonikus kvbiteket, a mágneses magrezonanciát, az optikai módokat, az atomcsoportokat, a csapdába esett atomokat ésfélvezető rendszerek. Kiemelkedő eredmények születtek a teleportációs hatótávolság terén, jönnek a műholdakkal végzett kísérletek. Ezenkívül megkezdődtek a kísérletek a bonyolultabb rendszerekre való kiterjesztésre.
A qubitek teleportálása
A kvantumteleportációt először kétszintű rendszerekre, az úgynevezett qubitekre írták le. A protokoll két távoli felet, Alice-t és Bobot tekint, akik 2 qubiten osztoznak, A-n és B-n, tiszta összefonódásban, más néven Bell-párnak. A bemeneten Alice egy másik a qubitet kap, amelynek ρ állapota ismeretlen. Ezután közös kvantummérést végez, amelyet Bell-detektálásnak neveznek. A négy Bell-állapot egyikéhez egy és A kell. Ennek eredményeként Alice bemeneti qubitjének állapota eltűnik a mérés során, és Bob B qubitje egyidejűleg kivetül a Р†kρP k. A protokoll utolsó szakaszában Alice elküldi mérésének klasszikus eredményét Bobnak, aki a Pk Pauli operátort használja az eredeti ρ. visszaállításához.
Alice qubitjének kezdeti állapota ismeretlennek tekinthető, mert különben a protokoll a távoli mérésre redukálódik. Alternatív megoldásként maga is része lehet egy nagyobb összetett rendszernek, amelyet egy harmadik féllel osztanak meg (ebben az esetben a sikeres teleportáláshoz az adott harmadik féllel fennálló összes összefüggés reprodukálása szükséges).
Egy tipikus kvantumteleportációs kísérlet feltételezi, hogy a kezdeti állapot tiszta, és egy korlátozott ábécéhez tartozik,például a Bloch-gömb hat pólusa. Dekoherencia jelenlétében a rekonstruált állapot minősége az F ∈ [0, 1] teleportációs pontossággal számszerűsíthető. Ez az Alice és Bob állapotok közötti pontosság, a Bell-érzékelés összes eredményére és az eredeti ábécére átlagolva. Alacsony pontossági értékek mellett vannak olyan módszerek, amelyek tökéletlen teleportálást tesznek lehetővé homályos erőforrás használata nélkül. Például Alice közvetlenül mérheti a kezdeti állapotát, ha elküldi az eredményeket Bobnak, hogy előkészítse az eredményt. Ezt a mérés-előkészítési stratégiát "klasszikus teleportációnak" nevezik. Maximális pontossága Fclass=2/3 tetszőleges bemeneti állapot esetén, ami egyenértékű a kölcsönösen torzítatlan állapotok ábécéjével, például egy Bloch-gömb hat pólusával.
Így a kvantumerőforrások használatának egyértelmű jelzése az F> Fclass.
pontossági érték
Egyetlen qubit sem
A kvantumfizika szerint a teleportáció nem korlátozódik a qubitekre, többdimenziós rendszereket is magában foglalhat. Minden d véges dimenzióhoz meg lehet fogalmazni egy ideális teleportálási sémát a maximálisan összefonódott állapotvektorok bázisának felhasználásával, amelyet egy adott maximálisan összefonódott állapotból és egy {Uk} bázisból kaphatunk. a tr(U †j Uk)=dδj, k . Ilyen protokoll bármely véges dimenziós Hilbert számára elkészíthetőterei az ún. diszkrét változórendszerek.
Emellett a kvantumteleportáció kiterjeszthető a végtelen dimenziós Hilbert-térrel rendelkező rendszerekre is, amelyeket folytonos változós rendszereknek neveznek. Általában optikai bozonikus módusokkal valósítják meg, amelyek elektromos tere kvadratúra operátorokkal írható le.
Sebesség és bizonytalanság elve
Mekkora a kvantumteleportáció sebessége? Az információ továbbítása hasonló sebességgel történik, mint az azonos mennyiségű klasszikus átvitelnél – talán fénysebességgel. Elméletileg olyan módon használható, ahogy a klasszikus nem - például a kvantumszámításban, ahol az adatok csak a címzett számára állnak rendelkezésre.
A kvantumteleportáció sérti a bizonytalanság elvét? Korábban a tudósok nem vették túl komolyan a teleportáció gondolatát, mert úgy gondolták, hogy ez sérti azt az elvet, miszerint bármilyen mérési vagy pásztázási eljárással nem nyerhető ki minden információ egy atomról vagy más objektumról. A bizonytalanság elve szerint minél pontosabban szkennelünk egy tárgyat, annál nagyobb hatással van rá a szkennelési folyamat, egészen addig, amíg el nem érjük azt a pontot, ahol az objektum eredeti állapota olyan mértékben sérül, hogy már nem lehet megszerezni. elegendő információ a pontos másolat elkészítéséhez. Ez meggyőzően hangzik: ha egy személy nem tud információt kinyerni egy objektumból, hogy tökéletes másolatot hozzon létre, akkor az utolsót sem lehet elkészíteni.
Kvantum-teleportáció bábuknak
De hat tudós (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez és William Wuthers) megtalálta a módját ennek a logikának a megkerülésére a kvantummechanika Einstein-Podolsky-ként ismert híres és paradox jellemzőjének felhasználásával. Rosen hatás. Megtalálták a módját, hogy beolvassák az A teleportált objektum információinak egy részét, és az ellenőrizetlen részt az említett effektuson keresztül egy másik C objektumra vigyék át, amely soha nem érintkezett A-val.
Továbbá, ha C-re alkalmaz egy, a beolvasott információtól függő hatást, a szkennelés előtt C-t A állapotba állíthatja. Maga az A már nincs ugyanabban az állapotban, mivel a szkennelési folyamat teljesen megváltoztatta, így a teleportációt sikerült elérni, nem a replikációt.
Küzdelem a tartományért
- Az első kvantumteleportációt 1997-ben hajtották végre szinte egyidejűleg az Innsbrucki Egyetem és a Római Egyetem tudósai. A kísérlet során az eredeti, polarizált fotont és az egyik összefonódott fotonpárt úgy változtatták meg, hogy a második foton megkapja az eredeti foton polarizációját. Ebben az esetben mindkét foton távol volt egymástól.
- 2012-ben egy újabb kvantumteleportációra került sor (Kína, Tudományos és Technológiai Egyetem) egy magas hegyi tavon keresztül, 97 km-re. A sanghaji tudósokból álló csapatnak Huang Yin vezetésével sikerült kifejlesztenie egy olyan irányító mechanizmust, amely lehetővé tette a sugár pontos célzását.
- Ugyanabban az év szeptemberében rekord kvantumteleportációt hajtottak végre, 143 km-re. Osztrák tudósok az Osztrák Tudományos Akadémiáról és az egyetemrőlBécs Anton Zeilinger vezetésével sikeresen áthelyezte a kvantumállapotokat a két Kanári-sziget, La Palma és Tenerife között. A kísérletben két optikai kommunikációs vonalat használtak nyílt térben, kvantum és klasszikus, frekvenciakorreláció nélküli polarizációval összefonódott forrásfotonpárt, ultraalacsony zajú egyfoton detektorokat és csatolt óraszinkronizálást.
- 2015-ben az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetének kutatói először továbbítottak információt 100 km-nél nagyobb távolságra optikai szálon keresztül. Ez az intézetben megalkotott, molibdén-szilicidből készült szupravezető nanohuzalok felhasználásával készült egyfoton detektoroknak köszönhetően vált lehetővé.
Világos, hogy az ideális kvantumrendszer vagy technológia még nem létezik, és a jövő nagy felfedezései még váratnak magukra. Ennek ellenére meg lehet próbálni azonosítani a lehetséges jelölteket a teleportáció konkrét alkalmazásaiban. Ezek megfelelő hibridizálása, kompatibilis keretrendszer és módszerek mellett, biztosíthatja a kvantumteleportáció és alkalmazásai legígéretesebb jövőjét.
Rövid távolságok
A rövid távolságokon (akár 1 m-ig) történő teleportáció kvantumszámítási alrendszerként ígéretes a félvezető eszközök számára, amelyek közül a legjobb a QED-séma. Különösen a szupravezető transzmon qubitek garantálhatják a determinisztikus és nagy pontosságú chip-teleportációt. Lehetővé teszik a valós idejű közvetlen feedet is, amiproblémásnak tűnik a fotonikus chipeken. Ezenkívül skálázhatóbb architektúrát és a meglévő technológiák jobb integrációját biztosítják a korábbi megközelítésekhez, például a befogott ionokhoz képest. Jelenleg ezeknek a rendszereknek az egyetlen hátránya a korlátozott koherencia idejük (<100 µs). Ezt a problémát úgy lehet megoldani, hogy a QED áramkört félvezető spin-ensemble memóriacellákkal (nitrogénhelyettesített üres helyekkel vagy ritkaföldfém-adalékolt kristályokkal) integráljuk, ami hosszú koherencia időt biztosíthat a kvantumadattároláshoz. Ez a megvalósítás jelenleg a tudományos közösség nagy erőfeszítéseinek tárgya.
Városi kommunikáció
A városi léptékű (több kilométeres) teleportkommunikáció optikai módok segítségével fejleszthető. Kellően alacsony veszteség mellett ezek a rendszerek nagy sebességet és sávszélességet biztosítanak. Kibővíthetők az asztali implementációktól a közepes hatótávolságú, levegőn vagy üvegszálon keresztül működő rendszerekig, az ensemble kvantummemóriával való lehetséges integrációval. Nagyobb távolságok, de kisebb sebesség érhető el hibrid megközelítéssel vagy jó átjátszók fejlesztésével, amelyek nem Gauss-eljárásokon alapulnak.
Távolsági kommunikáció
A nagy távolságú kvantumteleportáció (több mint 100 km) aktív terület, de még mindig nyitott problémával küzd. Polarizációs qubitek -a legjobb hordozók a kis sebességű teleportációhoz hosszú szálas kapcsolatokon és az éteren keresztül, de a protokoll jelenleg valószínűségi a hiányos Bell-érzékelés miatt.
Míg a valószínűségi teleportáció és az összefonódások elfogadhatók olyan problémák esetén, mint az összefonódás-desztilláció és a kvantumkriptográfia, ez egyértelműen különbözik a kommunikációtól, amelyben a bemenetet teljesen meg kell őrizni.
Ha elfogadjuk ezt a valószínűségi jelleget, akkor a műholdas megvalósítások elérhetőek a modern technológia számára. A nyomkövetési módszerek integrálása mellett a fő probléma a nyalábterítés okozta nagy veszteségek. Ez leküzdhető egy olyan konfigurációban, ahol az összefonódás a műholdról a nagy rekesznyílású földi teleszkópokra oszlik el. 600 km magasságban 20 cm-es műholdnyílást és 1 m-es földi teleszkópnyílást feltételezve körülbelül 75 dB-es downlink veszteség várható, ami kevesebb, mint a talajszinten mért 80 dB-es veszteség. A föld-műhold vagy műhold-műhold megvalósítások bonyolultabbak.
Kvantum memória
A teleportáció jövőbeni alkalmazása egy méretezhető hálózat részeként közvetlenül függ a kvantummemóriával való integrációjától. Ez utóbbinak kiváló sugárzás-anyag interfésszel kell rendelkeznie az átalakítási hatékonyság, a rögzítési és olvasási pontosság, a tárolási idő és a sávszélesség, a nagy sebesség és a tárolási kapacitás tekintetében. ElsőEz viszont lehetővé teszi a relék használatát, hogy a kommunikációt messze túlmutassák a hibajavító kódok használatával. A jó kvantummemória kialakítása nemcsak az összefonódás hálózati és teleportációs kommunikációt tesz lehetővé, hanem a tárolt információk koherens feldolgozását is. Végső soron ez a hálózatot globálisan elosztott kvantumszámítógéppé vagy egy jövőbeli kvantuminternet alapjává teheti.
Ígéretes fejlesztések
Az Atomic együtteseket hagyományosan vonzónak tartják hatékony fény-anyag konverziójuk és ezredmásodperces élettartamuk miatt, amely akár a 100 ms-ig is meghaladhatja a világméretű fényátvitelhez szükséges időt. Ma azonban ígéretesebb fejlesztések várhatók a félvezető rendszereken, ahol a kiváló spin-ensemble kvantummemória közvetlenül integrálva van a skálázható QED áramköri architektúrával. Ez a memória nemcsak a QED áramkör koherencia idejét tudja meghosszabbítani, hanem optikai-mikrohullámú interfészt is biztosít az optikai-telekommunikációs és chipes mikrohullámú fotonok interkonverziójához.
Így a tudósok jövőbeni felfedezései a kvantuminternet területén valószínűleg nagy hatótávolságú optikai kommunikáción alapulnak, amely félvezető csomópontokkal párosul a kvantuminformációk feldolgozására.
