Kvantna teleportacija: velika otkrića fizičara

Kvantna teleportacija je jedan od najvažnijih protokola kvantnih informacija. Temeljeno na fizičkom resursu zapleta, ona služi kao glavni element raznih informacijskih zadataka i važan je dio kvantnih tehnologija, igrajući ključnu ulogu u daljnjem razvoju kvantnog računanja, umrežavanja i komunikacije.

Od znanstvene fantastike do otkrića znanstvenika

Prošlo je više od dva desetljeća od otkrića kvantne teleportacije koja je, možda, jedna od najzanimljivijih i uzbudljivijih posljedica "neobičnosti" kvantne mehanike. Prije nego što su napravljena ova velika otkrića, ta je ideja pripadala području znanstvene fantastike. Izvorno izumljen 1931. Charles H. Fort, pojam "teleportacija" je od tada korišten kako bi se odnosio na proces kojim se tijela i objekti prenose s jednog mjesta na drugo, zapravo bez prevladavanja udaljenosti između njih.

Godine 1993. objavljen je članak koji opisuje protokol kvantne informacije, pod nazivom "kvantna teleportacija", koja je dijelila nekoliko od navedenih karakteristika. U njemu se mjeri nepoznato stanje fizičkog sustava i kasnije se reproducira ili "ponovno sastavlja" na udaljenom mjestu (fizički elementi izvornog sustava ostaju na mjestu prijenosa). Ovaj proces zahtijeva klasična sredstva komunikacije i isključuje superluminalnu komunikaciju. To zahtijeva resurs zagušenja. Zapravo, teleportacija se može smatrati protokem kvantnih informacija, što najočitije pokazuje prirodu zapletenosti: bez svoje prisutnosti takvo stanje prijenosa ne bi bilo moguće u okviru zakona koji opisuju kvantne mehanike.

Teleportacija igra aktivnu ulogu u razvoju znanosti o informacijama. S jedne strane, to je konceptualni protokol koji igra odlučnu ulogu u razvoju formalne kvantne teorije informacija, as druge je temeljna komponenta mnogih tehnologija. Kvantni repeater je ključni element komunikacije na velikim udaljenostima. Teleportacija kvantnih sklopki, izračuni na temelju mjerenja i kvantnih mreža - svi su njegovi derivati. Također se koristi kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike, koji se odnosi na vremenske krivulje i isparavanje crnih rupa.

Danas se kvantna teleportacija potvrđuje u laboratorijima širom svijeta koristeći različite podloge i tehnologije, uključujući fotonske rezove, nuklearnu magnetsku rezonancu, optičke načine, atomske skupine, atome u zamke i poluvodičke sustave. Izvanredni rezultati postignuti su u području teleportiranja, eksperimenti s satelitima dolaze. Osim toga, pokušaji su počeli mjeriti na složenije sustave.

Teleportacija qubita

Kvantna teleportacija je prvi put opisana za sustave s dvije razine, tzv. Qubits. Protokol se odnosi na dvije udaljene strane, nazvane Alice i Bob, koje dijele 2 qubits, A i B, u čistom zapletenom stanju, također nazvanu Bell par. Na ulazu Alice dodjeljuje se još jedan qubit, čija je država nepoznata. Zatim izvodi zajedničko kvantno mjerenje nazvanu Bellov otkriće. Ona nosi a i A u jednu od četiri Bellova stanja. Kao rezultat toga, stanje ulaznog qubit od Alice nestaje tijekom mjerenja, a Bob's qubit istovremeno projicira na P ^† _k ρP _k . U posljednjoj fazi protokola, Alice prolazi klasični rezultat njezine mjerenja Bobu, koji primjenjuje Pauli operatora P _k kako bi se vratio izvornik ρ.

Početno stanje Alice qubit se smatra nepoznatim jer inače protokol se svodi na daljinsko mjerenje. Osim toga, to sama može biti dio većeg kompozitnog sustava koji se dijeli s trećom stranom (u tom slučaju uspješna teleportacija zahtijeva reprodukciju svih korelacija s tom trećom stranom).

Tipičan eksperiment o kvantnoj teleportaciji pretpostavlja da je izvorno stanje čisto i pripadalo ograničenoj abecedi, na primjer šest polova Blochove sfere. U prisustvu dekoherencije, kvaliteta rekonstruirane države može se kvantitativno izraziti teleportacijskom točnošću F ∈ [0, 1]. Ovo je točnost između stanja Alisa i Boba, prosječno nad svim rezultatima otkrivanja Bellova i izvorne abecede. Za male vrijednosti točnosti postoje metode koje omogućuju nesmetanu teleportaciju bez korištenja zamršenog resursa. Na primjer, Alice može izravno izmjeriti svoje početno stanje tako što će poslati rezultate Bobu da pripremi dobivenu državu. Ova strategija mjerenja-priprema naziva se "klasična teleportacija". Maksimalna je točnost F _klasa = 2/3 za proizvoljnu ulaznu državu koja je ekvivalentna abecedi međusobno nepristranih stanja, kao što su šest polova Blochove sfere.

Dakle, jasna naznaka korištenja kvantnih resursa je točnost vrijednosti F> F _klase .

Niti jedan qubit od singla

Prema kvantnoj fizici, teleportacija nije ograničena na qubits, ona može uključivati višedimenzionalne sustave. Za svako konačno mjerenje d možemo formulirati idealnu teleportacijsku shemu koja se temelji na najzadovoljnijim državnim vektorima, koji se mogu dobiti iz danog maksimalno zbunjenog stanja i baze {U _k } jedinstvenih operatora koji zadovoljavaju tr (U _{j j k} ) = dδ _{j, k} , Takav protokol može se konstruirati za bilo koji konačni dimenzionalni Hilbertov prostor tzv. Diskretno varijabilni sustavi.

Osim toga, kvantna teleportacija može se proširiti i na sustave s beskonačnim dimenzionalnim prostorom Hilberta, nazvanim kontinuirano varijabilnim sustavima. U pravilu, oni se ostvaruju optičkim boksnim načinima, čije električno polje može opisati kvadraturni operateri.

Brzina i načelo nesigurnosti

Koja je brzina kvantne teleportacije? Informacija se prenosi brzinom koja je slična brzini prijenosa iste količine klasične - možda brzinom svjetlosti. Teoretski se može koristiti na način da klasično ne može - primjerice kvantno računanje, gdje su podaci dostupni samo primatelju.

Da li kvantna teleportacija krši načelo nesigurnosti? U prošlosti znanstvenici nisu ozbiljno shvatili ideju teleportiranja jer je vjerovalo da je prekršio princip koji zabranjuje bilo kojem procesu mjerenja ili skeniranja da se izvadi sve informacije iz atoma ili drugog objekta. U skladu s principom nesigurnosti, točnije objekt se skenira, to više utječe proces skeniranja sve dok se ne postigne točka kada se izvorno stanje objekta razbije do te mjere da više neće biti moguće dobiti dovoljno podataka za stvaranje točne kopije. To zvuči uvjerljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz objekta kako bi stvorila idealnu kopiju, potonji se ne može učiniti.

Kvantna teleportacija za lutke

No, šest znanstvenika (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crapo, Richard Josa, Asher Perez i William Wuthers) pronašli su put oko ove logike koristeći poznatu i paradoksalnu značajku kvantne mehanike, poznatog kao Einstein-Podolsky-Rosen efekt. Pronašli su način za skeniranje nekih informacija o teleportiranom objektu A, a ostatak neprovjerenog dijela pomoću gornjeg učinka za prijenos na drugi objekt C, u kontaktu s A nikad ne boraveći.

U budućnosti, primjenom utjecaja na C, ovisno o skeniranim podacima, možete unijeti C u stanje A prije skeniranja. Sam sebi više nije u tom stanju, jer je potpuno promijenjen procesom skeniranja pa je rezultat teleportiranje, a ne replikacija.

Borba za raspon

• Prva kvantna teleportacija provedena je 1997. gotovo istodobno od strane znanstvenika sa Sveučilišta u Innsbrucku i Sveučilišta u Rimu. Tijekom eksperimenta, izvorni foton koji ima polarizaciju i jedan od par impregniranih fotona podvrgnut je promjeni na takav način da drugi foton primi polarizaciju izvornog fotona. Istodobno su oba fotona bila udaljena jedna od druge.
• Tijekom 2012. godine na drugom je planinskom jezeru održano još jedna kvantna teleportacija (Kina, Sveučilište znanosti i tehnologije) na udaljenosti od 97 km. Tim znanstvenika iz Šangaja, na čelu s Juanom Yinom, uspio je razviti sugestivan mehanizam koji je omogućio precizno ciljanje grede.
• U rujnu iste godine obavljena je rekordna kvantna teleportacija od 143 km. Austrijski znanstvenici s Austrijske akademije znanosti i Sveučilišta u Beču, pod vodstvom Anton Zeilingera, uspješno su prošli kvantne stanja između dva kanarska otoka La Palma i Tenerife. U eksperimentu su korištene dvije optičke komunikacijske linije u otvorenom prostoru, kvantno i klasično, frekvencijski-uncorrelated polarization-confused par izvornih fotona, ultra-low-noise pojedinačni fotonski detektori i sinkronizirano sinkronizirano vrijeme.
• Godine 2015., istraživači Američkog nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju prvi put prenose informacije preko udaljenosti od više od 100 km vlaknima. To je postalo moguće zahvaljujući detektorima jednog fotona koji su stvoreni u Institutu, koristeći supravodljive nanoveze molibdenskog silicida.

Jasno je da idealan kvantni sustav ili tehnologija još ne postoji, a velika otkrića budućnosti leže ispred sebe. Ipak, može se pokušati identificirati moguće kandidate u specifičnim aplikacijama teleportiranja. Prikladna hibridizacija, pod uvjetom da kompatibilna baza i metode mogu pružiti najperspektivniju budućnost za kvantno teleportiranje i njegove primjene.

Kratke udaljenosti

Teleportacija za kratke udaljenosti (do 1 m) kao podsustav kvantnog računanja obećava na poluvodičkim uređajima, od kojih je najbolji QED shema. Konkretno, supravodljivi transmonon qubits mogu jamčiti determinističku i preciznu teleportaciju na čipu. Oni također omogućuju izravno hranjenje u stvarnom vremenu, što izgleda problematično na fotonskim čipovima. Osim toga, oni pružaju skalabilniju arhitekturu i bolju integraciju postojećih tehnologija u usporedbi s prethodnim pristupima, kao što su zarobljeni ioni. Trenutno, jedini nedostatak tih sustava čini se da je njihova ograničena koherencija (<100 μs). Taj se problem može riješiti integriranjem sheme QED s poluvodičkim spin-skupnim memorijskim ćelijama (s dušikom supstituiranim slobodnim radnim mjestima ili kristali s rijetkim zemljama), što može pružiti dugo vrijeme koherentnosti za pohranu kvantnih podataka. Trenutno, ova provedba predmet je velikog napora znanstvene zajednice.

Gradska komunikacija

Teleport komunikacija u gradskoj ljestvici (nekoliko kilometara) mogla bi se razviti pomoću optičkih modova. Uz dovoljno niske gubitke, ti sustavi omogućuju velike brzine i širinu pojasa. Oni se mogu proširiti od implementacije računala do sustava srednjeg raspona koji djeluju putem etera ili vlakana, s mogućom integracijom s kvantnom memorijom sastava. Dulje udaljenosti, ali pri nižim brzinama, mogu se postići hibridnim pristupom ili razvijanjem dobrih repeera na temelju ne-Gaussovih procesa.

Komunikacija na daljinu

Kvantna teleportacija na duge udaljenosti (više od 100 km) aktivno je područje, ali i dalje pati od otvorenog problema. Polarizacijske kocke su najbolji nositelji za teleportiranje niske brzine preko dugih svjetlovodnih komunikacijskih vodova i preko zraka, ali u ovom trenutku protokol je vjerojatan zbog nepotpunog otkrivanja Bellova.

Iako su probabilistička teleportiranja i zapletenosti prihvatljivi za poslove poput destilacije zapleta i kvantne kriptografije, to se očito razlikuje od komunikacije u kojoj bi informacije o unosu trebale biti u potpunosti sačuvane.

Ako uzmemo ovaj probabilistički karakter, satelitske implementacije su na dohvatu suvremenih tehnologija. Uz integraciju metoda praćenja, glavni je problem visoki gubitci uzrokovani širenjem grede. To se može prevladati u konfiguraciji gdje se zagušenja distribuira od satelita do kopnenih teleskopa s velikim otvorom. Pod pretpostavkom da satelitski otvor od 20 cm na 600 km nadmorske visine i 1. teleskopni dijafragma na tlu, može se očekivati oko 75 dB gubitka kanala za dolaznu liniju, što je manje od 80 dB gubitka na razini tla. Realizacija "zemaljskog satelita" ili "satelitskog satelita" je složenija.

Kvantna memorija

Buduća uporaba teleportacije kao sastavnog dijela skalabilne mreže izravno ovisi o njegovoj integraciji s kvantnom memorijom. Potonji bi trebao imati odličan sučelje zračenja i materije, u smislu učinkovitosti pretvorbe, točnosti snimanja i čitanja, vremena skladištenja i širine pojasa, velike brzine i kapaciteta pohrane. Prije svega, to će omogućiti ponovnim korištenjem repetitora za komunikaciju daleko iznad izravnog prijenosa pomoću kodova za ispravljanje pogrešaka. Razvijanje dobre kvantne memorije omogućilo bi ne samo distribuciju komuniciranja mreže i telekomunikacijske komunikacije, nego i usklađivanje pohranjenih informacija. U konačnici, ovo može pretvoriti mrežu u međunarodno distribuirano kvantno računalo ili na temelju budućeg kvantnog interneta.

Razvoj perspektive

Atomski ansambli tradicionalno se smatraju atraktivni zbog njihove učinkovite transformacije "svjetlosnih tvari" i njihovih milisekundnih vremena skladištenja, koje mogu doseći 100 ms, nužne za prijenos svjetlosti na globalnoj razini. Ipak, danas se očekuje više obećavajuća kretanja na temelju poluvodičkih sustava, gdje je izvrsna kvantna memorija spin-ansamble izravno integrirana s skalabilnom arhitekturom QED sheme. Ova memorija ne samo da može produžiti koherentno vrijeme QED kruga, već i pružiti optičko-mikrovalni sučelje za interkonverziju fotonima s mikrovalnim optikom i mikrovalnim mikrovalovima.

Prema tome, buduća otkrića znanstvenika na području kvantnog interneta vjerojatno će se temeljiti na optičkom spoju dugog dometa, zajedno s poluvodičkim čvorovima za obradu kvantnih informacija.