Kvantna teleportacija je eden najpomembnejših protokolov v kvantnih informacijah. Na podlagi fizičnega vira prepletenosti služi kot glavni element različnih informacijskih nalog in je pomemben sestavni del kvantnih tehnologij, ki igra ključno vlogo pri nadaljnjem razvoju kvantnega računalništva, omrežij in komunikacije.
Od znanstvene fantastike do odkritja znanstvenikov
Od odkritja kvantne teleportacije, ki je morda ena najbolj zanimivih in vznemirljivih posledic "nenavadnosti" kvantne mehanike, je minilo že več kot dve desetletji. Preden so bila storjena ta velika odkritja, je ta ideja spadala v področje znanstvene fantastike. Izraz "teleportacija", ki ga je prvič skoval leta 1931 Charles H. Fort, se od takrat uporablja za označevanje procesa, s katerim se telesa in predmeti prenašajo z enega kraja na drugega, ne da bi dejansko prepotovali razdaljo med njimi.
Leta 1993 je bil objavljen članek, ki opisuje kvantni informacijski protokol, imenovan"kvantna teleportacija", ki je delila več zgoraj naštetih lastnosti. V njem se neznano stanje fizičnega sistema izmeri in nato reproducira ali "ponovno sestavi" na oddaljeni lokaciji (fizični elementi prvotnega sistema ostanejo na mestu prenosa). Ta proces zahteva klasična komunikacijska sredstva in izključuje komunikacijo FTL. Potrebuje vir zapletanja. Pravzaprav je teleportacijo mogoče razumeti kot kvantni informacijski protokol, ki najbolj jasno kaže naravo zapletenosti: brez njene prisotnosti takšno stanje prenosa ne bi bilo mogoče v okviru zakonov, ki opisujejo kvantno mehaniko.
Teleportacija igra aktivno vlogo pri razvoju informacijske znanosti. Po eni strani je konceptualni protokol, ki igra odločilno vlogo pri razvoju formalne teorije kvantne informacije, po drugi strani pa je temeljni sestavni del številnih tehnologij. Kvantni repetitor je ključni element komunikacije na dolge razdalje. Teleportacija kvantnega stikala, računalništvo, ki temelji na dimenzijah, in kvantna omrežja so vsi njegovi derivati. Uporablja se tudi kot preprosto orodje za preučevanje "ekstremne" fizike glede časovnih krivulj in izhlapevanja črne luknje.
Danes je bila kvantna teleportacija potrjena v laboratorijih po vsem svetu z uporabo številnih različnih substratov in tehnologij, vključno s fotonskimi kubiti, jedrsko magnetno resonanco, optičnimi načini, skupinami atomov, ujetimi atomi inpolprevodniški sistemi. Na področju teleportacijskega dosega so bili doseženi izjemni rezultati, prihajajo poskusi s sateliti. Poleg tega so se začeli poskusi razširiti na bolj zapletene sisteme.
Teleportacija kubitov
Kvantna teleportacija je bila prvič opisana za dvonivojske sisteme, tako imenovane kubite. Protokol upošteva dve oddaljeni stranki, imenovani Alice in Bob, ki si delita 2 kubita, A in B, v čistem zapletenem stanju, ki se imenuje tudi par Bell. Na vhodu Alice dobi še en kubit a, katerega stanje ρ ni znano. Nato izvede skupno kvantno meritev, imenovano Bell detekcija. Potrebujeta a in A do enega od štirih Bellovih stanj. Posledično stanje Aliceinega vhodnega kubita med meritvijo izgine, Bobov B kubit pa se hkrati projicira na Р†kρP k. Na zadnji stopnji protokola Alice pošlje klasičen rezultat svoje meritve Bobu, ki uporabi Paulijev operater Pk za obnovitev izvirnega ρ.
Začetno stanje Alicinega kubita velja za neznano, ker se sicer protokol zmanjša na njegovo oddaljeno merjenje. Druga možnost je, da je lahko tudi sam del večjega sestavljenega sistema, ki je v skupni rabi s tretjo osebo (v tem primeru je za uspešno teleportacijo potrebno reproducirati vse korelacije s to tretjo osebo).
Tipičen eksperiment kvantne teleportacije predpostavlja, da je začetno stanje čisto in pripada omejeni abecedi,na primer šest polov Blochove krogle. V prisotnosti dekoherence lahko kakovost rekonstruiranega stanja kvantificiramo s teleportacijsko natančnostjo F ∈ [0, 1]. To je natančnost med stanjema Alice in Bob, povprečna po vseh rezultatih zaznavanja zvonca in izvirni abecedi. Pri nizkih vrednostih natančnosti obstajajo metode, ki omogočajo nepopolno teleportacijo brez uporabe zakritega vira. Alice lahko na primer neposredno izmeri svoje začetno stanje tako, da rezultate pošlje Bobu, da pripravi končno stanje. Ta strategija merjenja in priprave se imenuje "klasična teleportacija". Ima največjo natančnost Fclass=2/3 za poljubno vhodno stanje, ki je enakovredno abecedi medsebojno nepristranskih stanj, kot je šest polov Blochove krogle.
Tako je jasen pokazatelj uporabe kvantnih virov vrednost točnosti F> Fclass.
Ni enega kubita
V skladu s kvantno fiziko teleportacija ni omejena na kubite, lahko vključuje večdimenzionalne sisteme. Za vsako končno dimenzijo d je mogoče oblikovati idealno teleportacijsko shemo z uporabo baze maksimalno zapletenih vektorjev stanja, ki jih je mogoče dobiti iz danega maksimalno zapletenega stanja in osnove {Uk} od enotni operatorji, ki izpolnjujejo tr(U †j Uk)=dδj, k . Tak protokol je mogoče sestaviti za katerega koli končnodimenzionalnega Hilbertaprostori ti. diskretni spremenljivi sistemi.
Poleg tega je kvantno teleportacijo mogoče razširiti tudi na sisteme z neskončno dimenzionalnim Hilbertovim prostorom, ki se imenujejo sistemi z neprekinjenimi spremenljivkami. Praviloma so realizirani z optičnimi bozonskimi načini, katerih električno polje lahko opišemo s kvadraturnimi operaterji.
Načelo hitrosti in negotovosti
Kakšna je hitrost kvantne teleportacije? Informacije se prenašajo s podobno hitrostjo kot pri enaki količini klasičnega prenosa – morda s svetlobno hitrostjo. Teoretično ga je mogoče uporabiti na načine, ki jih klasičnega ne moremo uporabiti - na primer v kvantnem računalništvu, kjer so podatki na voljo samo prejemniku.
Ali kvantna teleportacija krši načelo negotovosti? V preteklosti znanstveniki ideje o teleportaciji niso jemali zelo resno, saj so mislili, da krši načelo, da kakršen koli postopek merjenja ali skeniranja ne bi izvlekel vseh informacij atoma ali drugega predmeta. Po načelu negotovosti bolj natančno kot je objekt skeniran, bolj nanj vpliva proces skeniranja, dokler ni dosežena točka, kjer je prvotno stanje predmeta kršeno do te mere, da ni več mogoče dobiti dovolj informacij za ustvarjanje natančne kopije. To se sliši prepričljivo: če oseba ne more izluščiti informacij iz predmeta, da bi ustvarila popolno kopijo, potem ni mogoče narediti zadnje.
Kvantna teleportacija za lutke
Toda šest znanstvenikov (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez in William Wuthers) je našlo pot okoli te logike z uporabo slavne in paradoksalne značilnosti kvantne mehanike, znane kot Einstein-Podolsky- Rosenov učinek. Našli so način, kako skenirati del informacij teleportiranega objekta A, preostanek nepreverjenega dela pa prek omenjenega učinka prenesti na drug objekt C, ki še nikoli ni bil v stiku z A.
Poleg tega, če na C uporabite vpliv, ki je odvisen od skeniranih informacij, lahko C postavite v stanje A pred skeniranjem. A sam ni več v istem stanju, saj ga je proces skeniranja popolnoma spremenil, zato je bilo doseženo teleportacija, ne replikacija.
Borba za doseg
- Prvo kvantno teleportacijo so leta 1997 skoraj istočasno izvedli znanstveniki z Univerze v Innsbrucku in Univerze v Rimu. Med poskusom sta bila prvotni foton, ki ima polarizacijo, in eden od para zapletenih fotonov spremenjena tako, da je drugi foton prejel polarizacijo prvotnega. V tem primeru sta bila oba fotona na razdalji drug od drugega.
- Leta 2012 je potekala še ena kvantna teleportacija (Kitajska, Univerza za znanost in tehnologijo) skozi visokogorsko jezero na razdalji 97 km. Skupini znanstvenikov iz Šanghaja, ki jo vodi Huang Yin, je uspelo razviti mehanizem za nagibanje, ki je omogočil natančno usmerjanje žarka.
- Septembra istega leta je bila izvedena rekordna kvantna teleportacija 143 km. Avstrijski znanstveniki z avstrijske akademije znanosti in univerzeDunaj, ki ga vodi Anton Zeilinger, je uspešno prenesel kvantna stanja med obema Kanarskima otokoma La Palma in Tenerife. Eksperiment je uporabil dve optični komunikacijski liniji v odprtem prostoru, kvantno in klasično, frekvenčno nekorelirano polarizacijsko zapleteno par izvornih fotonov, detektorje enega fotona z ultra nizkim šumom in sinhronizacijo povezane ure.
- Leta 2015 so raziskovalci iz ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo prvič prenesli informacije na razdaljo več kot 100 km prek optičnih vlaken. To je postalo mogoče zahvaljujoč enofotonskim detektorjem, ustvarjenim na inštitutu, z uporabo superprevodnih nanožic iz molibdenovega silicida.
Jasno je, da idealni kvantni sistem ali tehnologija še ne obstaja in velika odkritja prihodnosti šele prihajajo. Kljub temu je mogoče poskusiti identificirati možne kandidate v specifičnih aplikacijah teleportacije. Ustrezna hibridizacija teh, glede na združljiv okvir in metode, bi lahko zagotovila najbolj obetavno prihodnost za kvantno teleportacijo in njene aplikacije.
Kratke razdalje
Teleportacija na kratke razdalje (do 1 m) kot kvantni računalniški podsistem je obetavna za polprevodniške naprave, med katerimi je najboljša shema QED. Zlasti superprevodni transmonski kubiti lahko zagotovijo deterministično in visoko natančno teleportacijo na čipu. Omogočajo tudi neposredno dovajanje v realnem času, karna fotonskih čipih izgleda problematično. Poleg tega zagotavljajo bolj razširljivo arhitekturo in boljšo integracijo obstoječih tehnologij v primerjavi s prejšnjimi pristopi, kot so ujeti ioni. Trenutno se zdi, da je edina pomanjkljivost teh sistemov njihov omejen čas koherentnosti (<100 µs). Ta problem je mogoče rešiti z integracijo vezja QED s polprevodniškimi spin-ansambli pomnilniških celic (s prostimi mesti, nadomeščenimi z dušikom ali kristali, dopiranimi z redko zemljo), ki lahko zagotovijo dolg koherenčni čas za shranjevanje kvantnih podatkov. Ta izvedba je trenutno predmet velikega truda znanstvene skupnosti.
Mestna komunikacija
Teleportacijsko komunikacijo v mestnem merilu (več kilometrov) bi lahko razvili z uporabo optičnih načinov. Z dovolj majhnimi izgubami ti sistemi zagotavljajo visoke hitrosti in pasovno širino. Razširiti jih je mogoče od namiznih izvedb na sisteme srednjega dosega, ki delujejo po zraku ali po vlaknih, z možno integracijo z ansamblom kvantnega pomnilnika. Večje razdalje, a nižje hitrosti je mogoče doseči s hibridnim pristopom ali z razvojem dobrih repetitorjev, ki temeljijo na ne-Gaussovih procesih.
komunikacija na dolge razdalje
Kvantna teleportacija na dolge razdalje (več kot 100 km) je aktivno območje, vendar še vedno trpi zaradi odprtega problema. Polarizacijski kubiti -najboljši nosilci za nizkohitrostno teleportacijo po dolgih optičnih povezavah in po zraku, vendar je protokol trenutno verjetnosten zaradi nepopolnega zaznavanja zvona.
Čeprav so verjetnostna teleportacija in zapletanja sprejemljivi za težave, kot sta destilacija zapletov in kvantna kriptografija, se to očitno razlikuje od komunikacije, pri kateri mora biti vnos popolnoma ohranjen.
Če sprejmemo to verjetnostno naravo, so satelitske izvedbe v dosegu sodobne tehnologije. Poleg integracije metod sledenja so glavni problem velike izgube zaradi širjenja žarka. To je mogoče premagati v konfiguraciji, kjer je zaplet porazdeljen s satelita na zemeljske teleskope z veliko odprtino. Ob predpostavki, da je odprtina satelita 20 cm na 600 km nadmorske višine in 1 m odprtina teleskopa na tleh, lahko pričakujemo približno 75 dB izgube povezave navzdol, kar je manj od izgube 80 dB na nivoju tal. Izvedbe zemlja-satelit ali satelit-satelit so bolj zapletene.
Kvantni spomin
Prihodnja uporaba teleportacije kot dela razširljivega omrežja je neposredno odvisna od njene integracije s kvantnim spominom. Slednji bi moral imeti odličen vmesnik med sevanjem in snovjo v smislu učinkovitosti pretvorbe, natančnosti snemanja in branja, časa shranjevanja in pasovne širine, visoke hitrosti in zmogljivosti shranjevanja. PrvičPo drugi strani bo to omogočilo uporabo relejev za razširitev komunikacije daleč preko neposrednega prenosa z uporabo kod za popravljanje napak. Razvoj dobrega kvantnega pomnilnika bi omogočil ne le distribucijo zapletov po omrežju in teleportacijsko komunikacijo, temveč tudi skladno obdelavo shranjenih informacij. Navsezadnje bi to lahko omrežje spremenilo v globalno porazdeljen kvantni računalnik ali osnovo za prihodnji kvantni internet.
Obetavni razvoj
Atomski ansambli so tradicionalno veljali za privlačne zaradi učinkovite pretvorbe svetlobe v snov in njihove življenjske dobe v milisekundah, ki lahko dosežejo tudi 100 ms, potrebnih za prenos svetlobe v svetovnem merilu. Vendar pa se danes pričakuje bolj obetaven razvoj na podlagi polprevodniških sistemov, kjer je odličen kvantni pomnilnik spin-ensemble neposredno integriran s skalabilno arhitekturo vezja QED. Ta pomnilnik ne more samo podaljšati časa koherentnosti vezja QED, ampak tudi zagotavlja optično-mikrovalovni vmesnik za medsebojno pretvorbo mikrovalovnih fotonov optične telekomunikacije in čipa.
Tako bodo prihodnja odkritja znanstvenikov na področju kvantnega interneta verjetno temeljila na optični komunikaciji dolgega dosega skupaj s polprevodniškimi vozlišči za obdelavo kvantnih informacij.
