Teleportarea cuantică este unul dintre cele mai importante protocoale în informațiile cuantice. Bazat pe resursa fizică a întanglementării, servește ca element principal al diferitelor sarcini de informare și este o componentă importantă a tehnologiilor cuantice, jucând un rol cheie în dezvoltarea ulterioară a calculului cuantic, a rețelelor și a comunicării.
De la science fiction la descoperirea oamenilor de știință
Au trecut mai bine de două decenii de la descoperirea teleportării cuantice, care este poate una dintre cele mai interesante și incitante consecințe ale „ciudățeniei” mecanicii cuantice. Înainte de a fi făcute aceste mari descoperiri, această idee aparținea domeniului science fiction-ului. Creat pentru prima dată în 1931 de Charles H. Fort, termenul „teleportare” a fost folosit de atunci pentru a se referi la procesul prin care corpurile și obiectele sunt transferate dintr-un loc în altul fără a parcurge efectiv distanța dintre ele.
În 1993, a fost publicat un articol care descrie protocolul de informații cuantice, numit„teleportare cuantică”, care a împărtășit câteva dintre caracteristicile enumerate mai sus. În acesta, starea necunoscută a unui sistem fizic este măsurată și ulterior reprodusă sau „reasamblată” într-o locație îndepărtată (elementele fizice ale sistemului original rămân la locul de transmisie). Acest proces necesită mijloace clasice de comunicare și exclude comunicarea FTL. Are nevoie de o resursă de încurcare. De fapt, teleportarea poate fi văzută ca un protocol de informare cuantică care demonstrează cel mai clar natura încurcăturii: fără prezența sa, o astfel de stare de transmisie nu ar fi posibilă în cadrul legilor care descriu mecanica cuantică.
Teleportarea joacă un rol activ în dezvoltarea științei informației. Pe de o parte, este un protocol conceptual care joacă un rol decisiv în dezvoltarea teoriei informației cuantice formale și, pe de altă parte, este o componentă fundamentală a multor tehnologii. Repetatorul cuantic este un element cheie al comunicării pe distanțe lungi. Teleportarea comutatoare cuantice, calculul bazat pe dimensiuni și rețelele cuantice sunt toate derivate ale acesteia. De asemenea, este folosit ca instrument simplu pentru studiul fizicii „extreme” în ceea ce privește curbele de timp și evaporarea găurii negre.
Astăzi, teleportarea cuantică a fost confirmată în laboratoare din întreaga lume folosind multe substraturi și tehnologii diferite, inclusiv qubiți fotonici, rezonanță magnetică nucleară, moduri optice, grupuri de atomi, atomi prinși șisisteme semiconductoare. S-au obținut rezultate deosebite în domeniul teleportarii, urmează experimente cu sateliți. În plus, au început încercările de extindere la sisteme mai complexe.
Teleportarea qubiților
Teleportarea cuantică a fost descrisă pentru prima dată pentru sistemele cu două niveluri, așa-numiții qubiți. Protocolul ia în considerare două părți îndepărtate, numite Alice și Bob, care împart 2 qubiți, A și B, într-o stare pură încurcată, numită și pereche Bell. La intrare, Alicei i se dă un alt qubit a, a cărui stare ρ este necunoscută. Apoi efectuează o măsurătoare cuantică comună numită Bell detection. Este nevoie de a și A la una dintre cele patru stări Bell. Ca urmare, starea qubitului de intrare al lui Alice dispare în timpul măsurării, iar qubitul B al lui Bob este proiectat simultan pe Р†kρP k. În ultima etapă a protocolului, Alice îi trimite lui Bob rezultatul clasic al măsurării sale, care folosește operatorul Pauli Pk pentru a restabili ρ. inițial.
Starea inițială a qubit-ului lui Alice este considerată necunoscută, deoarece altfel protocolul se reduce la măsurarea sa de la distanță. Ca alternativă, poate fi el însuși parte a unui sistem compus mai mare partajat cu o terță parte (caz în care, teleportarea cu succes necesită reproducerea tuturor corelațiilor cu acea terță parte).
Un experiment tipic de teleportare cuantică presupune că starea inițială este pură și aparținând unui alfabet limitat,de exemplu, cei șase poli ai sferei Bloch. În prezența decoerenței, calitatea stării reconstruite poate fi cuantificată prin precizia de teleportare F ∈ [0, 1]. Aceasta este acuratețea dintre stările lui Alice și Bob, mediată pentru toate rezultatele detectării Bell și alfabetul original. La valori de precizie scăzute, există metode care permit teleportarea imperfectă fără a utiliza o resursă ofuscată. De exemplu, Alice își poate măsura direct starea inițială trimițând rezultatele lui Bob pentru a pregăti starea rezultată. Această strategie de pregătire a măsurătorilor se numește „teleportare clasică”. Are o precizie maximă de Fclass=2/3 pentru o stare de intrare arbitrară, care este echivalentă cu un alfabet de stări reciproc imparțial, cum ar fi cei șase poli ai unei sfere Bloch.
Astfel, o indicație clară a utilizării resurselor cuantice este valoarea de precizie F> Fclass.
Nici un singur qubit
Conform fizicii cuantice, teleportarea nu se limitează la qubiți, ci poate include sisteme multidimensionale. Pentru fiecare dimensiune finită d, se poate formula o schemă de teleportare ideală utilizând o bază de vectori de stare maximal încâlciți, care pot fi obținute dintr-o stare de maxim încâlcită dată și o bază {Uk} de operatori unitari care satisfac tr(U †j Uk)=dδj, k . Un astfel de protocol poate fi construit pentru orice Hilbert cu dimensiuni finitespaţii ale aşa-ziselor. sisteme variabile discrete.
În plus, teleportarea cuantică poate fi extinsă și la sisteme cu un spațiu Hilbert de dimensiuni infinite, numite sisteme cu variabilă continuă. De regulă, ele sunt realizate prin moduri optice bosonice, al căror câmp electric poate fi descris de operatori în cuadratura.
Principiul vitezei și incertitudinii
Care este viteza de teleportare cuantică? Informația este transmisă cu o viteză similară cu aceeași cantitate de transmisie clasică - poate cu viteza luminii. Teoretic, poate fi folosit în moduri în care cel clasic nu poate - de exemplu, în calculul cuantic, unde datele sunt disponibile numai destinatarului.
Teleportarea cuantică încalcă principiul incertitudinii? În trecut, ideea teleportării nu a fost luată foarte în serios de oamenii de știință, deoarece se credea că încalcă principiul că orice proces de măsurare sau scanare nu ar extrage toate informațiile unui atom sau alt obiect. Conform principiului incertitudinii, cu cât un obiect este scanat cu mai multă acuratețe, cu atât este mai afectat de procesul de scanare, până când se ajunge la un punct în care starea originală a obiectului este încălcată în așa măsură încât nu mai este posibilă obținerea. suficiente informații pentru a crea o copie exactă. Acest lucru sună convingător: dacă o persoană nu poate extrage informații dintr-un obiect pentru a crea o copie perfectă, atunci ultima nu poate fi făcută.
Teleportare cuantică pentru manechin
Dar șase oameni de știință (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez și William Wuthers) au găsit o cale de a ocoli această logică folosind celebra și paradoxală caracteristică a mecanicii cuantice cunoscută sub numele de Einstein-Podolsky- Efect Rosen. Ei au găsit o modalitate de a scana o parte din informațiile obiectului teleportat A și de a transfera restul părții neverificate prin efectul menționat către un alt obiect C, care nu a fost niciodată în contact cu A.
În plus, aplicând lui C o influență care depinde de informațiile scanate, puteți pune C în starea A înainte de scanare. A în sine nu mai este în aceeași stare, deoarece a fost complet schimbat prin procesul de scanare, așa că ceea ce s-a realizat este teleportarea, nu replicarea.
Lupta pentru intervalul
- Prima teleportare cuantică a fost efectuată în 1997 aproape simultan de oamenii de știință de la Universitatea din Innsbruck și de la Universitatea din Roma. În timpul experimentului, fotonul original, care are o polarizare, și unul din perechea de fotoni încâlciți, au fost modificați în așa fel încât al doilea foton a primit polarizarea celui original. În acest caz, ambii fotoni se aflau la distanță unul de celăl alt.
- În 2012 a avut loc o altă teleportare cuantică (China, Universitatea de Știință și Tehnologie) printr-un lac de munte în alt la o distanță de 97 km. O echipă de oameni de știință din Shanghai, condusă de Huang Yin, a reușit să dezvolte un mecanism de orientare care a făcut posibilă îndreptarea cu precizie a fasciculului.
- În septembrie același an, a fost efectuată o teleportare cuantică record de 143 km. Oameni de știință austrieci de la Academia Austriacă de Științe și de la UniversitateaViena, condusă de Anton Zeilinger, a transferat cu succes state cuantice între cele două insule Canare La Palma și Tenerife. Experimentul a folosit două linii optice de comunicație în spațiu deschis, cuantică și clasică, pereche de fotoni sursă cu polarizare necorelată în frecvență, detectoare cu un singur foton cu zgomot ultra-scăzut și sincronizare cu ceas cuplată.
- În 2015, cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA au transmis pentru prima dată informații pe o distanță de peste 100 km prin fibră optică. Acest lucru a devenit posibil datorită detectoarelor cu un singur foton creați la institut, folosind nanofire supraconductoare din siliciură de molibden.
Este clar că sistemul sau tehnologia cuantică ideală nu există încă și marile descoperiri ale viitorului urmează să vină. Cu toate acestea, se poate încerca să identifice posibili candidați în aplicații specifice de teleportare. Hibridizarea adecvată a acestora, având în vedere un cadru și metode compatibile, ar putea oferi viitorul cel mai promițător pentru teleportarea cuantică și aplicațiile sale.
Diste scurte
Teleportarea pe distanțe scurte (până la 1 m) ca subsistem de calcul cuantic este promițătoare pentru dispozitivele semiconductoare, dintre care cea mai bună este schema QED. În special, qubiții transconductori supraconductori pot garanta teleportarea deterministă și de în altă precizie pe cip. Ele permit, de asemenea, alimentare directă în timp real, carearată problematic pe cipurile fotonice. În plus, oferă o arhitectură mai scalabilă și o mai bună integrare a tehnologiilor existente în comparație cu abordările anterioare, cum ar fi ionii prinși. În prezent, singurul dezavantaj al acestor sisteme pare să fie timpul lor limitat de coerență (<100 µs). Această problemă poate fi rezolvată prin integrarea circuitului QED cu celule de memorie semiconductoare spin-ansamblu (cu locuri libere substituite cu azot sau cristale dopate cu pământuri rare), care pot oferi un timp lung de coerență pentru stocarea datelor cuantice. Această implementare face în prezent obiectul unui efort mult din partea comunității științifice.
Comunicare cu orașul
Comunicația prin teleportare la scară de oraș (mai mulți kilometri) ar putea fi dezvoltată folosind moduri optice. Cu pierderi suficient de mici, aceste sisteme oferă viteze mari și lățime de bandă. Ele pot fi extinse de la implementări desktop la sisteme de rază medie care operează prin aer sau fibră, cu posibilă integrare cu memoria cuantică a ansamblului. Distanțe mai lungi, dar viteze mai mici pot fi atinse printr-o abordare hibridă sau prin dezvoltarea unor repetoare bune bazate pe procese non-Gauss.
Comunicare la distanță lungă
Teleportarea cuantică la distanță lungă (peste 100 km) este o zonă activă, dar încă suferă de o problemă deschisă. qubiți de polarizare -cei mai buni transportatori pentru teleportarea cu viteză redusă prin conexiuni lungi de fibră și prin aer, dar protocolul este în prezent probabilistic din cauza detectării incomplete a Bell.
În timp ce teleportarea probabilistică și încurcăturile sunt acceptabile pentru probleme precum distilarea încurcăturii și criptografia cuantică, aceasta este în mod clar diferită de comunicare, în care intrarea trebuie păstrată complet.
Dacă acceptăm această natură probabilistică, atunci implementările prin satelit sunt la îndemâna tehnologiei moderne. Pe lângă integrarea metodelor de urmărire, principala problemă o reprezintă pierderile mari cauzate de răspândirea fasciculului. Acest lucru poate fi depășit într-o configurație în care încurcarea este distribuită de la satelit la telescoapele de la sol cu deschidere mare. Presupunând o deschidere a satelitului de 20 cm la 600 km altitudine și o deschidere a telescopului de 1 m pe sol, se pot aștepta aproximativ 75 dB de pierdere pe legătura în jos, ceea ce este mai mică decât pierderea de 80 dB la nivelul solului. Implementările de la sol la satelit sau de la satelit la satelit sunt mai complexe.
Memorie cuantică
Utilizarea viitoare a teleportării ca parte a unei rețele scalabile depinde direct de integrarea acesteia cu memoria cuantică. Acesta din urmă ar trebui să aibă o interfață excelentă de radiație la materie în ceea ce privește eficiența conversiei, acuratețea înregistrării și citirii, timpul de stocare și lățimea de bandă, viteza mare și capacitatea de stocare. PrimulLa rândul său, acest lucru va permite utilizarea releelor pentru a extinde comunicarea mult dincolo de transmisia directă folosind coduri de corectare a erorilor. Dezvoltarea unei bune memorii cuantice ar permite nu numai distribuirea încurcăturii prin rețea și comunicațiile de teleportare, ci și procesarea informațiilor stocate într-o manieră coerentă. În cele din urmă, acest lucru ar putea transforma rețeaua într-un computer cuantic distribuit la nivel global sau în baza unui viitor internet cuantic.
Evoluții promițătoare
Ansamblurile atomice au fost considerate în mod tradițional atractive datorită conversiei lor eficiente de lumină în materie și a duratelor de viață în milisecunde, care pot fi la fel de mari ca 100 ms necesari pentru a transmite lumina la scară globală. Cu toate acestea, astăzi sunt așteptate dezvoltări mai promițătoare bazate pe sistemele semiconductoare, în care memoria cuantică excelentă a ansamblului de spin este direct integrată cu arhitectura de circuite scalabile QED. Această memorie poate nu numai să prelungească timpul de coerență al circuitului QED, ci și să ofere o interfață optică cu microunde pentru interconversia fotonilor de telecomunicații optice și cu microunde cu chip.
Astfel, descoperirile viitoare ale oamenilor de știință în domeniul internetului cuantic se vor baza probabil pe comunicații optice pe distanță lungă cuplate cu noduri semiconductoare pentru a procesa informațiile cuantice.
