Kvantu teleportācija ir viens no svarīgākajiem kvantu informācijas protokoliem. Pamatojoties uz sapīšanās fizisko resursu, tas kalpo kā dažādu informācijas uzdevumu galvenais elements un ir svarīga kvantu tehnoloģiju sastāvdaļa, kam ir galvenā loma kvantu skaitļošanas, tīklu un komunikācijas tālākā attīstībā.
No zinātniskās fantastikas līdz zinātnieku atklājumiem
Ir pagājušas vairāk nekā divas desmitgades kopš kvantu teleportācijas atklāšanas, kas, iespējams, ir viena no interesantākajām un aizraujošākajām kvantu mehānikas "dīvainuma" sekām. Pirms šo lielisko atklājumu izdarīšanas šī ideja piederēja zinātniskās fantastikas sfērai. Pirmo reizi 1931. gadā ieviesa Čārlzs H. Forts. Termins "teleportācija" kopš tā laika tiek lietots, lai apzīmētu procesu, kurā ķermeņi un objekti tiek pārvietoti no vienas vietas uz otru, faktiski neveicot attālumu starp tiem.
1993. gadā tika publicēts raksts, kurā aprakstīts kvantu informācijas protokols, t.s."kvantu teleportācija", kurai bija vairākas iepriekš uzskaitītās funkcijas. Tajā fiziskās sistēmas nezināmais stāvoklis tiek mērīts un pēc tam reproducēts vai "pārmontēts" attālā vietā (sākotnējās sistēmas fiziskie elementi paliek pārraides vietā). Šim procesam ir nepieciešami klasiski saziņas līdzekļi, un tas izslēdz FTL saziņu. Tam vajadzīgs sapīšanās resurss. Faktiski teleportāciju var uzskatīt par kvantu informācijas protokolu, kas visskaidrāk parāda sapīšanās būtību: bez tās klātbūtnes šāds pārraides stāvoklis nebūtu iespējams kvantu mehāniku aprakstošo likumu ietvaros.
Teleportācijai ir aktīva loma informācijas zinātnes attīstībā. No vienas puses, tas ir konceptuāls protokols, kam ir izšķiroša loma formālās kvantu informācijas teorijas attīstībā, un, no otras puses, tas ir daudzu tehnoloģiju fundamentāla sastāvdaļa. Kvantu atkārtotājs ir galvenais saziņas elements lielos attālumos. Kvantu slēdžu teleportācija, uz dimensiju balstīta skaitļošana un kvantu tīkli ir tā atvasinājumi. To izmanto arī kā vienkāršu rīku "ekstrēmās" fizikas izpētei attiecībā uz laika līknēm un melnā cauruma iztvaikošanu.
Šodien kvantu teleportācija ir apstiprināta laboratorijās visā pasaulē, izmantojot daudzus dažādus substrātus un tehnoloģijas, tostarp fotoniskos kubitus, kodolmagnētisko rezonansi, optiskos režīmus, atomu grupas, notvertos atomus unpusvadītāju sistēmas. Izcili rezultāti sasniegti teleportācijas diapazona jomā, nāk eksperimenti ar satelītiem. Turklāt ir sākti mēģinājumi paplašināt līdz sarežģītākām sistēmām.
Kubitu teleportēšana
Kvantu teleportācija vispirms tika aprakstīta divu līmeņu sistēmām, tā sauktajiem kubitiem. Protokols uzskata, ka divas attālas puses, sauktas Alise un Bobs, kurām ir 2 kubiti, A un B, ir tīri sapinušies, saukti arī par Bell pāri. Ieejā Alisei tiek dots vēl viens kubits a, kura stāvoklis ρ nav zināms. Pēc tam viņa veic kopīgu kvantu mērījumu, ko sauc par zvana noteikšanu. Vienam no četriem Bell stāvokļiem nepieciešams a un A. Rezultātā Alises ievades kubits mērīšanas laikā pazūd, un Boba B kubits vienlaikus tiek projicēts uz Р†kρP k. Protokola pēdējā posmā Alise nosūta klasisko sava mērījuma rezultātu Bobam, kurš izmanto Pauli operatoru Pk, lai atjaunotu sākotnējo ρ.
Alises kubīta sākotnējais stāvoklis tiek uzskatīts par nezināmu, jo pretējā gadījumā protokols tiek samazināts līdz attālinātam mērījumam. Alternatīvi, tas pats par sevi var būt daļa no lielākas saliktas sistēmas, kas tiek koplietota ar trešo pusi (tādā gadījumā veiksmīgai teleportācijai ir nepieciešams reproducēt visas korelācijas ar šo trešo pusi).
Tipisks kvantu teleportācijas eksperiments pieņem, ka sākotnējais stāvoklis ir tīrs un pieder ierobežotam alfabētam,piemēram, seši Bloha sfēras stabi. Dekoherences klātbūtnē rekonstruētā stāvokļa kvalitāti var kvantitatīvi noteikt ar teleportācijas precizitāti F ∈ [0, 1]. Šī ir precizitāte starp Alises un Boba stāvokļiem, kas aprēķināta vidēji no visiem Bell noteikšanas rezultātiem un sākotnējam alfabētam. Pie zemām precizitātes vērtībām ir metodes, kas ļauj veikt nepilnīgu teleportāciju, neizmantojot aptumšotu resursu. Piemēram, Alise var tieši izmērīt savu sākotnējo stāvokli, nosūtot rezultātus Bobam, lai tas sagatavotu iegūto stāvokli. Šo mērījumu sagatavošanas stratēģiju sauc par "klasisko teleportāciju". Tā maksimālā precizitāte ir Fclass=2/3 patvaļīgam ievades stāvoklim, kas ir līdzvērtīgs savstarpēji neobjektīvu stāvokļu alfabētam, piemēram, Bloha sfēras sešiem poliem.
Tādējādi skaidra norāde uz kvantu resursu izmantošanu ir precizitātes vērtība F> Fclass.
Neviena kvbita
Saskaņā ar kvantu fiziku teleportācija neaprobežojas tikai ar kubitiem, tā var ietvert daudzdimensiju sistēmas. Katrai ierobežotajai dimensijai d var formulēt ideālu teleportācijas shēmu, izmantojot maksimāli sapinušos vektoru bāzi, ko var iegūt no dotā maksimāli sapinušās stāvokļa un bāzes {Uk} unitāri operatori, kas atbilst tr(U †j Uk)=dδj, k . Šādu protokolu var izveidot jebkuram ierobežotas dimensijas Hilbertamtelpas ts. diskrēto mainīgo sistēmas.
Turklāt kvantu teleportāciju var attiecināt arī uz sistēmām ar bezgalīgas dimensijas Hilberta telpu, ko sauc par nepārtraukti mainīgām sistēmām. Parasti tos realizē optiskie bozona režīmi, kuru elektrisko lauku var aprakstīt ar kvadratūras operatoriem.
Ātruma un nenoteiktības princips
Kāds ir kvantu teleportācijas ātrums? Informācija tiek pārraidīta ar ātrumu, kas līdzīgs tāda paša apjoma klasiskās pārraides ātrumam – iespējams, ar gaismas ātrumu. Teorētiski to var izmantot tādos veidos, kā klasiskais nevar - piemēram, kvantu skaitļošanā, kur dati ir pieejami tikai saņēmējam.
Vai kvantu teleportācija pārkāpj nenoteiktības principu? Agrāk zinātnieki teleportācijas ideju neuztvēra ļoti nopietni, jo tika uzskatīts, ka tā pārkāpj principu, ka jebkurš mērīšanas vai skenēšanas process neizgūs visu informāciju par atomu vai citu objektu. Saskaņā ar nenoteiktības principu, jo precīzāk tiek skenēts objekts, jo vairāk to ietekmē skenēšanas process, līdz tiek sasniegts punkts, kurā objekta sākotnējais stāvoklis tiek pārkāpts tādā mērā, ka to vairs nav iespējams iegūt. pietiekami daudz informācijas, lai izveidotu precīzu kopiju. Tas izklausās pārliecinoši: ja cilvēks nevar iegūt informāciju no objekta, lai izveidotu perfektu kopiju, tad pēdējo nevar izveidot.
Kvantu teleportācija manekeniem
Bet seši zinātnieki (Čārlzs Benets, Žils Brasārs, Klods Krepo, Ričards Josa, Ašers Peress un Viljams Vuters) atrada veidu, kā apiet šo loģiku, izmantojot slaveno un paradoksālo kvantu mehānikas iezīmi, kas pazīstama kā Einšteina-Podoļska. Rozena efekts. Viņi atrada veidu, kā skenēt daļu no teleportētā objekta A informācijas, bet pārējo nepārbaudīto daļu, izmantojot minēto efektu, pārnest uz citu objektu C, kas nekad nav bijis kontaktā ar A.
Turklāt, piemērojot C ietekmei, kas ir atkarīga no skenētās informācijas, pirms skenēšanas varat iestatīt C stāvoklī A. Pats A vairs neatrodas tādā pašā stāvoklī, jo skenēšanas process to ir pilnībā mainījis, tāpēc sasniegtais ir teleportācija, nevis replikācija.
Cīņa par diapazonu
- Pirmo kvantu teleportāciju 1997. gadā gandrīz vienlaikus veica Insbrukas universitātes un Romas universitātes zinātnieki. Eksperimenta laikā sākotnējais fotons, kuram ir polarizācija, un viens no sapinušo fotonu pāriem tika mainīts tā, ka otrais fotons saņēma sākotnējā fotona polarizāciju. Šajā gadījumā abi fotoni atradās attālumā viens no otra.
- 2012. gadā notika vēl viena kvantu teleportācija (Ķīna, Zinātnes un tehnoloģijas universitāte) caur augstu kalnu ezeru 97 km attālumā. Zinātnieku komandai no Šanhajas, kuru vadīja Huans Iņs, izdevās izstrādāt orientācijas mehānismu, kas ļāva precīzi mērķēt staru.
- Tā paša gada septembrī tika veikta rekordliela kvantu teleportācija 143 km garumā. Austrijas zinātnieki no Austrijas Zinātņu akadēmijas un universitātesVīne Antona Zeilingera vadībā veiksmīgi pārcēla kvantu stāvokļus starp abām Kanāriju salām – La Palmu un Tenerifi. Eksperimentā tika izmantotas divas optiskās komunikācijas līnijas atklātā kosmosā, kvantu un klasiskā, ar frekvenci nekorelētu polarizāciju sapinušies avota fotonu pāri, īpaši zema trokšņa viena fotona detektori un savienota pulksteņa sinhronizācija.
- 2015. gadā ASV Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta pētnieki pirmo reizi pārraidīja informāciju vairāk nekā 100 km attālumā, izmantojot optisko šķiedru. Tas kļuva iespējams, pateicoties institūtā izveidotajiem viena fotona detektoriem, izmantojot supravadošus nanovadus, kas izgatavoti no molibdēna silicīda.
Ir skaidrs, ka ideāla kvantu sistēma vai tehnoloģija vēl nepastāv un lielie nākotnes atklājumi vēl tikai priekšā. Tomēr var mēģināt identificēt iespējamos kandidātus īpašos teleportācijas pielietojumos. Piemērota to hibridizācija, ņemot vērā saderīgu sistēmu un metodes, varētu nodrošināt daudzsološāko nākotni kvantu teleportācijai un tās lietojumiem.
Īsie attālumi
Teleportācija nelielos attālumos (līdz 1 m) kā kvantu skaitļošanas apakšsistēma ir daudzsološa pusvadītāju ierīcēm, no kurām labākā ir QED shēma. Jo īpaši supravadoši transmonu kubiti var garantēt deterministisku un augstas precizitātes mikroshēmas teleportāciju. Tie nodrošina arī reāllaika tiešo padevi, kasizskatās problemātiski uz fotoniskajām mikroshēmām. Turklāt tie nodrošina mērogojamāku arhitektūru un labāku esošo tehnoloģiju integrāciju salīdzinājumā ar iepriekšējām pieejām, piemēram, iesprostotajiem joniem. Pašlaik vienīgais šo sistēmu trūkums, šķiet, ir to ierobežotais koherences laiks (<100 µs). Šo problēmu var atrisināt, integrējot QED ķēdi ar pusvadītāju spin-ansambļa atmiņas šūnām (ar slāpekļa aizvietotām vakancēm vai retzemju leģētiem kristāliem), kas var nodrošināt ilgu saskaņotības laiku kvantu datu glabāšanai. Šobrīd zinātnieku aprindas pieliek daudz pūļu par šo ieviešanu.
Pilsētas komunikācija
Teleportācijas sakarus pilsētas mērogā (vairāki kilometri) varētu attīstīt, izmantojot optiskos režīmus. Ar pietiekami zemiem zudumiem šīs sistēmas nodrošina lielu ātrumu un joslas platumu. Tos var paplašināt no darbvirsmas ieviešanas līdz vidēja diapazona sistēmām, kas darbojas pa gaisu vai šķiedru, ar iespējamu integrāciju ar ansambļa kvantu atmiņu. Lielākus attālumus, bet mazākus ātrumus var sasniegt, izmantojot hibrīda pieeju vai attīstot labus atkārtotājus, kuru pamatā ir ne-Gausa procesi.
Tālsakari
Kvantu teleportācija lielos attālumos (vairāk nekā 100 km) ir aktīva zona, bet joprojām cieš no atklātas problēmas. Polarizācijas kubiti -labākie nesēji zema ātruma teleportācijai pa garām šķiedru saitēm un pa gaisu, taču protokols pašlaik ir ticams nepilnīgas zvana noteikšanas dēļ.
Lai gan varbūtiskā teleportācija un sapīšanās ir pieņemama tādām problēmām kā sapīšanās destilācija un kvantu kriptogrāfija, tas nepārprotami atšķiras no komunikācijas, kurā ievade ir pilnībā jāsaglabā.
Ja mēs pieņemam šo varbūtības raksturu, tad satelītu ieviešana ir pieejama mūsdienu tehnoloģijām. Papildus izsekošanas metožu integrācijai galvenā problēma ir lieli zudumi, ko rada staru kūļa izkliedēšana. To var pārvarēt konfigurācijā, kurā sapīšanās tiek izplatīta no satelīta uz lielas apertūras zemes teleskopiem. Pieņemot, ka satelīta atvērums ir 20 cm 600 km augstumā un 1 m teleskopa apertūra uz zemes, var sagaidīt aptuveni 75 dB lejupsaites zudumu, kas ir mazāks par 80 dB zudumu zemes līmenī. Īstenošana no zemes uz satelītu vai no satelīta uz satelītu ir sarežģītāka.
Kvantu atmiņa
Teleportācijas turpmākā izmantošana kā daļu no mērogojama tīkla ir tieši atkarīga no tās integrācijas ar kvantu atmiņu. Pēdējam vajadzētu būt izcilam starojuma-materiālu interfeisam konversijas efektivitātes, ierakstīšanas un nolasīšanas precizitātes, uzglabāšanas laika un joslas platuma, liela ātruma un uzglabāšanas jaudas ziņā. PirmkārtSavukārt tas ļaus izmantot relejus, lai paplašinātu saziņu daudz tālāk par tiešu pārraidi, izmantojot kļūdu labošanas kodus. Labas kvantu atmiņas izveide ļautu ne tikai sadalīt sapīšanos pa tīklu un teleportācijas komunikāciju, bet arī saskaņoti apstrādāt uzkrāto informāciju. Galu galā tas varētu pārvērst tīklu par globāli izplatītu kvantu datoru vai par pamatu nākotnes kvantu internetam.
Daudzsološi notikumi
Atomic ansambļi tradicionāli tiek uzskatīti par pievilcīgiem, pateicoties to efektīvajai gaismas pārveidei par vielu un to milisekundes kalpošanas laiku, kas var sasniegt 100 ms, kas nepieciešams gaismas pārraidīšanai globālā mērogā. Tomēr šodien ir sagaidāmi daudzsološāki notikumi, kuru pamatā ir pusvadītāju sistēmas, kur izcilā kvantu atmiņa ir tieši integrēta ar mērogojamo QED shēmas arhitektūru. Šī atmiņa var ne tikai pagarināt QED shēmas koherences laiku, bet arī nodrošināt optiskā-mikroviļņu saskarni optisko telekomunikāciju un mikroviļņu mikroviļņu fotonu savstarpējai pārveidei.
Tādējādi zinātnieku nākotnes atklājumi kvantu interneta jomā, visticamāk, būs balstīti uz liela attāluma optisko komunikāciju, kas apvienota ar pusvadītāju mezgliem, lai apstrādātu kvantu informāciju.
