Квантна телепортација: велика открића физичара

Квантна телепортација је један од најважнијих протокола у квантној информацији. На основу физичког ресурса уплета, он служи као главни елемент разних информативних задатака и представља важан део квантних технологија, играјући кључну улогу у даљем развоју квантног рачунарства, умрежавања и комуникације.

Од научне фантастике до открића научника

Прошло је више од две деценије од открића квантне телепортације, која је, можда, једна од најинтересантнијих и узбудљивих последица "непознатости" квантне механике. Пре него што су направљена ова велика открића, ова идеја припадала је научној фикцији. Првобитно је 1931. године изумио Чарлс Х. Форт, термин "телепортација" је од тада коришћен да се односи на процес којим се тела и предмети преносе са једног места на друго, заправо без превазилажења удаљености између њих.

Године 1993. објављен је чланак о протоколу квантних информација, под називом "квантна телепортација", који је поделио неколико горе наведених карактеристика. У њему, непознато стање физичког система се мери и накнадно репродукује или "поново састави" на удаљеној локацији (физички елементи првобитног система остају на мјесту преноса). Овај процес захтијева класична средства комуникације и искључује суперлуминалну комуникацију. За то је потребан извор заплетања. У ствари, телепортација се може сматрати протоколом квантне информације, која најјасније показује природу замућења: без њеног присуства, такво преносно стање не би било могуће у оквиру закона који описују квантну механику.

Телепортација игра активну улогу у развоју информационих наука. С једне стране, ово је концептуални протокол који игра одлучујућу улогу у развоју формалне квантне информационе теорије, а са друге је основна компонента многих технологија. Квантни репетитор је кључни елемент комуникације на великим даљинама. Телепортација квантних прекидача, калкулације на основу мерења и квантне мреже - све су њени деривати. Такође се користи као једноставно средство за проучавање "екстремне" физике, које се односи на временске кривуље и испаравање црних рупа.

Данас је квантна телепортација потврђена у лабораторијама широм света користећи различите подлоге и технологије, укључујући фотонске кубике, нуклеарне магнетне резонанце, оптичке модове, атомске групе, заробљене атоме и полупроводничке системе. Изванредни резултати су постигнути у области телепортације, долазе експерименти са сателити. Поред тога, покушаји су почели да се скали на сложеније системе.

Телепортација кубица

Квантна телепортација је први пут описана за системе на два нивоа, такозвани кубици. Протокол третира две одвојене странке, зване Алице и Боб, који деле 2 кубика, А и Б, у чистом заплетеном стању, такође званим Белл пар. На улазу у Алице дат је још један кубит, чије стање ρ није познато. Затим врши заједничко квантно мерење под називом Белл откриће. Носи А и А у једну од четири стања у Беллу. Као резултат, стање улазног квиза Алице нестаје током мерења, а Бобов кубит истовремено пројицира на П ^† _к ρП _к . У последњој фази протокола, Алице прослеђује класични резултат њеног мерења на Боб, који примјењује Паулијевог оператора П _к да обнови оригинални ρ.

Иницијално стање Алице кубит се сматра непознатим, јер се иначе протокол смањује на његово даљинско мерење. Поред тога, сама може бити део већег сложеног система који се дели са трећим лицем (у том случају успешна телепортација захтева репродукцију свих корелација са овом трећом страном).

Типичан експеримент на квантној телепортацији подразумева да је првобитно стање чисто и да припада ограниченој абецеди, на примјер, шест полова Блохове сфере. У присуству декохеренције, квалитет реконструисаног стања може бити квантитативно изражен помоћу прецизности телепортације Ф ∈ [0, 1]. То је тачност између стања Алице и Боба, усредсређена на све резултате Беллове детекције и оригиналне абецеде. За мале вредности тачности постоје начини који омогућавају да извршите несавршену телепортацију без коришћења сложеног ресурса. На примјер, Алице може директно измерити своје почетно стање слањем резултата на Боб да припреми резултирајуће стање. Ова стратегија мерења-припреме назива се "класична телепортација". Има максималну тачност Ф _класе = 2/3 за произвољно улазно стање, што је еквивалентно абецеди међусобно непристрасних стања, као што су шест полова Блоцх сфере.

Дакле, јасна индикација употребе квантних ресурса је вредност тачности Ф> Ф _класе .

Није ни један једини сингл

Према квантној физици, телепортација није ограничена на кубитс, она може укључивати вишедимензионалне системе. За свако коначно мерење д можемо формулирати идеалну телепортациону схему помоћу основе најтапуњенијих вектора стања која се може добити из датог максимално збуњеног стања и основе {У _к } јединичних оператора које задовољавају тр (У ⁾ _ј У _к ) = дδ _{ј, к} . Такав протокол се може конструисати за било који коначно-димензионални Хилбертов простор тзв. Дискретне варијабилне системе.

Поред тога, квантна телепортација се може проширити и на системе са бесконачно-димензионалним Хилбертовим простором, који се називају континуирано варијабилни системи. По правилу, оне се реализују оптичким босонским модовима, чије електрично поље може бити описано квадратним операторима.

Брзина и принцип несигурности

Која је брзина квантне телепортације? Информације се преносе брзином сличном брзини преноса исте количине класичне - можда брзином светлости. Теоретски, може се користити на начин који класика не може - на примјер, у квантном рачунарству, гдје су подаци доступни само примаоцу.

Да ли квантна телепортација крши принцип неизвесности? У прошлости научници нису озбиљно схватили идеју о телепортацији, јер се веровало да крши принцип који забрањује било који процес мерења или скенирања да извлаче све информације од атом или неког другог објекта. У складу са принципом неизвесности, прецизније је да објекат буде скениран, то више утиче на процес скенирања док се не постигне тачка када је првобитно стање објекта прекинуто до те мере да више неће бити могуће добити довољно информација за стварање тачне копије. Ово звучи уверљиво: ако особа не може извући информације из објекта да би креирала идеални примерак, онда се то не може учинити.

Квантна телепортација за лутке

Међутим, шест научника (Цхарлес Беннетт, Гиллес Брассард, Цлауде Црапо, Рицхард Јоса, Асхер Перез и Виллиам Вутхерс) пронашли су пут око ове логике користећи познату и парадоксалну особину квантне механике, познатог као Еинстеин-Подолски-Росен ефекат. Нашли су начин скенирања неких информација телепортираног објекта А и остатка непровереног дела помоћу горе наведеног ефекта за премештање на други објекат Ц, у контакту са А који никад не остане.

У будућности, применом утицаја на Ц у зависности од скенираних информација, можете прећи у Ц у стање А пре скенирања. Сама није више у тој држави, с обзиром да се у процесу скенирања у потпуности мења, тако да је резултат телепортација, а не репликација.

Борба за домет

• Прва квантна телепортација спроведена је 1997. године скоро истовремено од стране научника са Универзитета у Инсбруку и Универзитета у Риму. Током експеримента, првобитни фотон који је имао поларизацију и један од пар заплетених фотона претрпио је промену тако да је други фотон добио поларизацију првобитног фотона. Истовремено, оба фотона су била удаљена једна од друге.
• Током 2012. године, преко високог језера се одвијала још једна квантна телепортација (Кина, Универзитет за науку и технологију) на удаљености од 97 км. Тим научника из Шангаја, на челу са Хуаном Иином, успио је развити сугестивни механизам који је омогућио прецизно усмеравање греда.
• У септембру исте године извршена је рекордна квантна телепортација од 143 км. Аустријски научници из Аустријске академије наука и Универзитета у Бечу, под руководством Антона Зеилингера, успјешно су прошли квантне стања између два Канарска острва Ла Палма и Тенерифе. У експерименту су коришћене две оптичке комуникацијске линије на отвореном простору, квантни и класични фреквентни неусклађени поларизацијски пар са изворним фотонима, детектори са једним фотонима са ултра ниском шумом и синхронизација спојеног сата.
• Истраживачи из америчког Националног института за стандарде и технологију први пут су пренели информације на даљину више од 100 км од влакана. Ово је постало могуће захваљујући једнофонским детекторима створеним у Институту, користећи суперпроводне наношнице силицијума молибдена.

Јасно је да идеални квантни систем или технологија још увек не постоји и предњаче велика открића будућности. Ипак, могуће је покушати идентификовати могуће кандидате у специфичним апликацијама за телепортацију. Погодна хибридизација, под условом да компатибилна база и методе могу пружити најзначајније будућност за квантну телепортацију и његове апликације.

Кратке удаљености

Телепортација на кратким растојањима (до 1 м) као подсистему квантног рачунарства обећава на полупроводничким уређајима, од којих је најбоља КЕД схема. Конкретно, суперпроводни трансмунонови кубици могу гарантовати детерминистичку и високо прецизну телепортацију на чипу. Такође омогућавају директну храну у реалном времену, што изгледа проблематично на фотонским чиповима. Поред тога, они пружају скалабилну архитектуру и бољу интеграцију постојећих технологија у поређењу са претходним приступима, као што су заробљени иони. Сада је једини недостатак ових система чини њихово ограничено време кохеренције (<100 μс). Овај проблем се може решити интегрирањем КЕД схеме са меморијским ћелијама полупроводничких спин-ансамбла (са слободним радним местима или кристалима са допуном азота), који могу обезбедити дуго време кохеренције за квантно складиштење података. У овом тренутку ова имплементација је предмет великог напора научне заједнице.

Градска комуникација

Телепорт комуникација у градској скали (неколико километара) могла би се развити користећи оптичке модове. Са довољно ниским губицима, ови системи обезбеђују велике брзине и пропусни опсег. Могу се проширити са имплементације на десктоп рачунарима на системе средњег опсега који раде преко етра или влакна, уз могућу интеграцију с квантном меморијом ансамбла. Далије раздаљине, али при мањим брзинама, могу се постићи коришћењем хибридног приступа или развојем добрих репетитора заснованих на не-Гауссовим процесима.

Комуникација на даљину

Квантна телепортација на даљину (више од 100 км) је активна област, али и даље пати од отвореног проблема. Поларизацијске коцке су најбољи носиоци за телепортацију са ниским брзинама преко дугих оптичких комуникационих линија и преко ваздуха, али тренутно је протокол вероватно због непотпуног откривања Белл-а.

Иако су пробабилистичке телепортације и конфузије прихватљиве за задатке као што су дестилација заплетања и квантна криптографија, то се јасно разликује од комуникације у којој се улазне информације требају у потпуности очувати.

Ако узмемо овај пробабилистички карактер, имплементације сателита су у достигнућу модерних технологија. Осим интеграције метода праћења, главни проблем представља велики губитак проузрокован ширењем греда. Ово се може превазићи у конфигурацији у којој се конфузија дистрибуира од сателита до терестричких телескопа са великим отвором бленде. Претпостављајући да је сателитска отвора 20 цм на 600 км надморске висине и 1 м телескопска дијафрагма на тлу, може се очекивати око 75 дБ губитка у каналу долазних линија, што је мање од 80 дБ губитка на нивоу земље. Реализације "земаљског сателита" или "сателитског сателита" су компликованије.

Квантна меморија

Будућа употреба телепортације као интегралног дела скалабилне мреже директно зависи од његове интеграције са квантном меморијом. Овај други треба да има одличан интерфејс за радијску материју, у смислу ефикасности конверзије, тачности снимања и читања, времена складиштења и пропусног опсега, велике брзине и капацитета складиштења. Пре свега, ово ће омогућити употребу репетитора да прошире комуникацију далеко изван директног преноса помоћу кодова за исправљање грешке. Развој добре квантне меморије омогућио би не само дистрибуцију комуникације везане за мрежу и телепортацију, већ и складно процесирање ускладиштене информације. На крају, ово може претворити мрежу у интернационално распоређени квантни компјутер или основ за будући квантни Интернет.

Перспективни развој

Атомски ансамбли се традиционално сматрају атрактивним због њихове ефективне трансформације "светлости" и њихових милисекундних времена чувања, који могу да досегну 100 мс, неопходни за пренос светлости на глобалном нивоу. Ипак, данас се очекује много обећавајући развој на бази полупроводничких система, где је одлична квантна меморија спин-ансамбла директно интегрисана са скалабилном архитектуром КЕД схеме. Ово памћење не само да може проширити време кохеренције КЕД склопа, већ такође обезбедити оптичко-микроталасни интерфејс за интерконверзију оптичких телекомуникационих и микроталасних фотона.

Према томе, будућа открића научника у области квантног Интернета вероватно ће се заснивати на оптичком спајању дугог домета, заједно са полупроводничким чворовима за обраду квантних информација.