Teleportacja kwantowa to jeden z najważniejszych protokołów informacji kwantowych. Oparta na fizycznym zasobie splątania, służy jako główny element różnych zadań informacyjnych i jest ważnym składnikiem technologii kwantowych, odgrywając kluczową rolę w dalszym rozwoju obliczeń kwantowych, sieci i komunikacji.
Od science fiction do odkrycia naukowców
Minęły ponad dwie dekady od odkrycia teleportacji kwantowej, która jest prawdopodobnie jedną z najciekawszych i najbardziej ekscytujących konsekwencji „dziwności” mechaniki kwantowej. Zanim dokonano tych wielkich odkryć, pomysł ten należał do sfery science fiction. Ukuty po raz pierwszy w 1931 roku przez Charlesa H. Forta, termin „teleportacja” jest od tego czasu używany w odniesieniu do procesu, w którym ciała i przedmioty są przenoszone z jednego miejsca do drugiego bez faktycznego pokonywania odległości między nimi.
W 1993 roku opublikowano artykuł opisujący protokół informacji kwantowej, zwany"teleportacja kwantowa", która dzieliła kilka z wymienionych powyżej cech. W nim mierzony jest nieznany stan fizycznego systemu, a następnie odtwarzany lub „ponownie składany” w odległej lokalizacji (fizyczne elementy oryginalnego systemu pozostają w miejscu transmisji). Proces ten wymaga klasycznych środków komunikacji i wyklucza komunikację FTL. Potrzebuje zasobu uwikłania. W rzeczywistości teleportacja może być postrzegana jako protokół informacji kwantowej, który najwyraźniej pokazuje naturę splątania: bez jej obecności taki stan transmisji nie byłby możliwy w ramach praw opisujących mechanikę kwantową.
Teleportacja odgrywa aktywną rolę w rozwoju informatyki. Z jednej strony jest to protokół pojęciowy, który odgrywa decydującą rolę w rozwoju formalnej teorii informacji kwantowej, z drugiej zaś jest podstawowym elementem wielu technologii. Wzmacniacz kwantowy jest kluczowym elementem komunikacji na duże odległości. Teleportacja przełączników kwantowych, obliczenia wymiarowe i sieci kwantowe są od tego pochodnymi. Jest również używany jako proste narzędzie do badania „ekstremalnej” fizyki pod kątem krzywych czasowych i parowania czarnych dziur.
Dzisiaj teleportacja kwantowa została potwierdzona w laboratoriach na całym świecie przy użyciu wielu różnych podłoży i technologii, w tym kubitów fotonicznych, magnetycznego rezonansu jądrowego, modów optycznych, grup atomów, atomów uwięzionych iukłady półprzewodnikowe. Znakomite wyniki osiągnięto w zakresie zasięgu teleportacji, zbliżają się eksperymenty z satelitami. Ponadto rozpoczęto próby skalowania do bardziej złożonych systemów.
Teleportacja kubitów
Teleportacja kwantowa została po raz pierwszy opisana dla systemów dwupoziomowych, tak zwanych kubitów. Protokół uwzględnia dwie odległe strony, zwane Alicją i Bobem, które dzielą 2 kubity, A i B, w czystym splątanym stanie, zwanym również parą Dzwonów. Na wejściu Alicja otrzymuje kolejny kubit a, którego stan ρ jest nieznany. Następnie wykonuje wspólny pomiar kwantowy zwany wykrywaniem Bella. Zabiera a i A do jednego z czterech stanów Bella. W rezultacie stan kubitu wejściowego Alicji znika podczas pomiaru, a kubit B Boba jest jednocześnie rzutowany na Р†kρP k. Na ostatnim etapie protokołu Alicja wysyła klasyczny wynik swojego pomiaru do Boba, który używa operatora Pauliego Pk do przywrócenia oryginalnego ρ.
Początkowy stan kubitu Alicji jest uważany za nieznany, ponieważ w przeciwnym razie protokół sprowadza się do zdalnego pomiaru. Ewentualnie może sam być częścią większego systemu złożonego współdzielonego ze stroną trzecią (w takim przypadku udana teleportacja wymaga odtworzenia wszystkich korelacji z tą stroną trzecią).
Typowy eksperyment z teleportacją kwantową zakłada, że stan początkowy jest czysty i należy do ograniczonego alfabetu,na przykład sześć biegunów sfery Blocha. W obecności dekoherencji jakość zrekonstruowanego stanu można określić ilościowo za pomocą dokładności teleportacji F ∈ [0, 1]. Jest to dokładność między stanami Alicji i Boba, uśredniona dla wszystkich wyników wykrywania Bella i oryginalnego alfabetu. Przy niskich wartościach dokładności istnieją metody, które pozwalają na niedoskonałą teleportację bez użycia zaciemnionych zasobów. Na przykład Alicja może bezpośrednio zmierzyć swój stan początkowy, wysyłając wyniki do Boba, aby przygotować stan wynikowy. Ta strategia pomiaru-przygotowania nazywa się „klasyczną teleportacją”. Ma maksymalną precyzję Fklasa=2/3 dla dowolnego stanu wejściowego, który jest odpowiednikiem alfabetu wzajemnie nieobciążonych stanów, takich jak sześć biegunów sfery Blocha.
Tak więc wyraźnym wskazaniem wykorzystania zasobów kwantowych jest wartość dokładności F> Fclass.
Ani jednego kubitu
Zgodnie z fizyką kwantową teleportacja nie ogranicza się do kubitów, może obejmować systemy wielowymiarowe. Dla każdego skończonego wymiaru d można sformułować idealny schemat teleportacji na podstawie wektorów stanu maksymalnie splątanego, które można otrzymać z danego stanu maksymalnie splątanego i bazy {Uk} operatory unitarne spełniające tr(U †j Uk)=dδj, k . Taki protokół można skonstruować dla dowolnego skończenie wymiarowego Hilbertaprzestrzenie tzw. dyskretne systemy zmiennych.
Poza tym, teleportację kwantową można również rozszerzyć na systemy z nieskończenie wymiarową przestrzenią Hilberta, zwane systemami o zmiennej ciągłej. Z reguły są one realizowane za pomocą optycznych modów bozonowych, których pole elektryczne można opisać operatorami kwadraturowymi.
Zasada prędkości i niepewności
Jaka jest prędkość teleportacji kwantowej? Informacje są przesyłane z prędkością zbliżoną do tej samej wielkości transmisji klasycznej - być może z prędkością światła. Teoretycznie można ją wykorzystać w sposób, w jaki nie jest to możliwe w klasycznym - na przykład w obliczeniach kwantowych, gdzie dane są dostępne tylko dla odbiorcy.
Czy teleportacja kwantowa narusza zasadę nieoznaczoności? W przeszłości idea teleportacji nie była traktowana przez naukowców bardzo poważnie, ponieważ uważano, że narusza zasadę, że każdy proces pomiaru lub skanowania nie wydobędzie wszystkich informacji o atomie lub innym obiekcie. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, im dokładniej obiekt jest skanowany, tym większy wpływ na niego ma proces skanowania, aż do momentu, w którym pierwotny stan obiektu zostaje naruszony w takim stopniu, że nie jest już możliwe uzyskanie wystarczająco dużo informacji, aby stworzyć dokładną kopię. Brzmi to przekonująco: jeśli dana osoba nie może wydobyć informacji z obiektu, aby stworzyć idealną kopię, to ostatnia nie może zostać wykonana.
Kwantowa teleportacja dla manekinów
Ale sześciu naukowców (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez i William Wuthers) znalazło sposób na obejście tej logiki, używając słynnej i paradoksalnej cechy mechaniki kwantowej znanej jako Einstein-Podolsky- Efekt Rosena. Znaleźli sposób na zeskanowanie części informacji o teleportowanym obiekcie A i przeniesienie pozostałej niezweryfikowanej części poprzez wspomniany efekt do innego obiektu C, który nigdy nie miał kontaktu z A.
Ponadto, stosując do C wpływ zależny od zeskanowanych informacji, możesz wprowadzić C w stan A przed skanowaniem. Samo A nie jest już w tym samym stanie, ponieważ zostało całkowicie zmienione przez proces skanowania, więc osiągnięto teleportację, a nie replikację.
Walka o zasięg
- Pierwsza teleportacja kwantowa została przeprowadzona w 1997 roku niemal równocześnie przez naukowców z Uniwersytetu w Innsbrucku i Uniwersytetu Rzymskiego. W trakcie eksperymentu oryginalny foton, który ma polaryzację, oraz jeden z pary splątanych fotonów zostały zmienione w taki sposób, że drugi foton otrzymał polaryzację oryginalnego. W tym przypadku oba fotony znajdowały się w pewnej odległości od siebie.
- W 2012 roku miała miejsce kolejna teleportacja kwantowa (Chiny, Uniwersytet Naukowo-Techniczny) przez wysokogórskie jezioro na odległość 97 km. Zespół naukowców z Szanghaju pod kierownictwem Huang Yin zdołał opracować mechanizm naprowadzania, który umożliwiał dokładne wycelowanie wiązki.
- We wrześniu tego samego roku dokonano rekordowej teleportacji kwantowej na odległość 143 km. Austriaccy naukowcy z Austriackiej Akademii Nauk i UniwersytetuWiedeń, kierowany przez Antona Zeilingera, z powodzeniem przeniósł stany kwantowe między dwiema Wyspami Kanaryjskimi La Palmą i Teneryfą. W eksperymencie wykorzystano dwie optyczne linie komunikacyjne w otwartej przestrzeni, kwantową i klasyczną, splątaną parą fotonów źródłowych o nieskorelowanej częstotliwości, ultra-niskoszumowe detektory jednofotonowe i sprzężoną synchronizację zegarową.
- W 2015 roku naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii po raz pierwszy przekazali informacje na odległość ponad 100 km za pomocą światłowodu. Stało się to możliwe dzięki detektorom jednofotonowym stworzonym w instytucie, wykorzystującym nadprzewodnikowe nanodruty wykonane z krzemku molibdenu.
Oczywiste jest, że idealny system kwantowy lub technologia jeszcze nie istnieje, a wielkie odkrycia przyszłości dopiero nadejdą. Niemniej jednak można spróbować zidentyfikować potencjalnych kandydatów w konkretnych zastosowaniach teleportacji. Odpowiednia ich hybrydyzacja, biorąc pod uwagę kompatybilną strukturę i metody, może zapewnić najbardziej obiecującą przyszłość teleportacji kwantowej i jej zastosowań.
Krótkie odległości
Teleportacja na niewielkie odległości (do 1 m) jako podsystem obliczeń kwantowych jest obiecująca dla urządzeń półprzewodnikowych, z których najlepszym jest schemat QED. W szczególności nadprzewodzące kubity transmonowe mogą zagwarantować deterministyczną i bardzo precyzyjną teleportację na chipie. Pozwalają również na bezpośrednie podawanie w czasie rzeczywistym, cowygląda problematycznie na chipach fotonicznych. Ponadto zapewniają bardziej skalowalną architekturę i lepszą integrację istniejących technologii w porównaniu z wcześniejszymi podejściami, takimi jak uwięzione jony. Obecnie jedyną wadą tych systemów wydaje się być ich ograniczony czas koherencji (<100 µs). Problem ten można rozwiązać, integrując obwód QED z półprzewodnikowymi komórkami pamięci typu spin-ensembl (z wakatami podstawionymi azotem lub kryształami domieszkowanymi pierwiastkami ziem rzadkich), co może zapewnić długi czas koherencji do przechowywania danych kwantowych. Ta implementacja jest obecnie przedmiotem wielu wysiłków społeczności naukowej.
Komunikacja miejska
Komunikację teleportacyjną w skali miasta (kilka kilometrów) można by rozwijać przy użyciu trybów optycznych. Przy wystarczająco niskich stratach systemy te zapewniają wysokie prędkości i przepustowość. Można je rozszerzyć od wdrożeń stacjonarnych do systemów średniego zasięgu działających bezprzewodowo lub światłowodowo, z możliwością integracji z zespołem pamięci kwantowej. Większe odległości, ale niższe prędkości można osiągnąć stosując podejście hybrydowe lub opracowując dobre przemienniki oparte na procesach niegaussowskich.
Komunikacja na duże odległości
Długodystansowa teleportacja kwantowa (ponad 100 km) jest obszarem aktywnym, ale nadal boryka się z otwartym problemem. Kubity polaryzacyjne -najlepsze nośniki do teleportacji o niskiej prędkości przez długie łącza światłowodowe i bezprzewodowo, ale protokół jest obecnie probabilistyczny ze względu na niepełną detekcję Bella.
Podczas gdy probabilistyczna teleportacja i splątanie są dopuszczalne w przypadku problemów takich jak destylacja splątania i kryptografia kwantowa, jest to wyraźnie odmienne od komunikacji, w której dane wejściowe muszą być całkowicie zachowane.
Jeśli przyjmiemy tę probabilistyczną naturę, wtedy implementacje satelitarne są w zasięgu nowoczesnej technologii. Oprócz integracji metod śledzenia, głównym problemem są wysokie straty spowodowane rozchodzeniem się wiązki. Można to przezwyciężyć w konfiguracji, w której splątanie jest rozprowadzane od satelity do naziemnych teleskopów o dużej aperturze. Zakładając aperturę satelity 20 cm na wysokości 600 km i aperturę teleskopu 1 m na ziemi, można oczekiwać około 75 dB strat w łączu w dół, czyli mniej niż 80 dB strat na poziomie gruntu. Implementacje typu ziemia-satelita lub satelita-satelita są bardziej złożone.
Pamięć kwantowa
Przyszłe wykorzystanie teleportacji jako części skalowalnej sieci zależy bezpośrednio od jej integracji z pamięcią kwantową. Ten ostatni powinien mieć doskonały interfejs promieniowania z materią pod względem wydajności konwersji, dokładności zapisu i odczytu, czasu przechowywania i przepustowości, dużej szybkości i pojemności. PierwszyTo z kolei pozwoli na wykorzystanie przekaźników, aby rozszerzyć komunikację daleko poza bezpośrednią transmisję z wykorzystaniem kodów korekcji błędów. Stworzenie dobrej pamięci kwantowej pozwoliłoby nie tylko na rozłożenie splątania w sieci i komunikację teleportacyjną, ale także na spójne przetwarzanie przechowywanych informacji. Ostatecznie może to zmienić sieć w globalnie rozproszony komputer kwantowy lub podstawę przyszłego Internetu kwantowego.
Obiecujące zmiany
Zespoły atomowe są tradycyjnie uważane za atrakcyjne ze względu na ich wydajną konwersję światła na materię i ich czas życia w milisekundach, który może sięgać nawet 100 ms potrzebnych do przesłania światła w skali globalnej. Oczekuje się jednak, że obecnie bardziej obiecujące osiągnięcia będą oparte na układach półprzewodnikowych, w których doskonała pamięć kwantowa typu spin-ensemble jest bezpośrednio zintegrowana ze skalowalną architekturą obwodów QED. Ta pamięć może nie tylko wydłużyć czas koherencji obwodu QED, ale także zapewnić interfejs optyczno-mikrofalowy do wzajemnej konwersji fotonów optyczno-telekomunikacyjnych i mikroprocesorowych.
Tak więc przyszłe odkrycia naukowców w dziedzinie Internetu kwantowego będą prawdopodobnie opierać się na komunikacji optycznej dalekiego zasięgu połączonej z węzłami półprzewodnikowymi w celu przetwarzania informacji kwantowych.
