Kvantteleportatsioon on kvantteabe üks olulisemaid protokolle. Tuginedes põimumise füüsilisele ressursile, toimib see erinevate teabeülesannete peamise elemendina ja on kvanttehnoloogiate oluline komponent, mängides võtmerolli kvantarvutuse, võrkude ja kommunikatsiooni edasisel arendamisel.
ulmekirjandusest teadlaste avastuseni
Kvantteleportatsiooni avastamisest on möödunud rohkem kui kaks aastakümmet, mis on võib-olla üks kvantmehaanika "veidruse" kõige huvitavamaid ja põnevamaid tagajärgi. Enne nende suurte avastuste tegemist kuulus see idee ulme valdkonda. Esmakordselt 1931. aastal Charles H. Forti poolt kasutusele võetud terminit "teleportatsioon" on sellest ajast peale kasutatud, et viidata protsessile, mille käigus kehad ja objektid viiakse ühest kohast teise ilma nendevahelist vahemaad läbimata.
1993. aastal avaldati artikkel, mis kirjeldas kvantinfoprotokolli, nn."kvantteleportatsioon", millel oli mitu ülalloetletud funktsiooni. Selles mõõdetakse füüsilise süsteemi tundmatut olekut ja seejärel reprodutseeritakse või "monteeritakse uuesti kokku" kauges kohas (algse süsteemi füüsilised elemendid jäävad edastuskohta). See protsess nõuab klassikalisi sidevahendeid ja välistab FTL-side. See vajab takerdumise ressurssi. Tegelikult võib teleportatsiooni vaadelda kui kvantinfoprotokolli, mis näitab kõige selgemini takerdumise olemust: ilma selle olemasoluta poleks selline edastusseisund kvantmehaanikat kirjeldavate seaduste raames võimalik.
Teleportatsioon mängib infoteaduse arengus aktiivset rolli. Ühelt poolt on see kontseptuaalne protokoll, mis mängib formaalse kvantinformatsiooni teooria arengus otsustavat rolli, teis alt aga paljude tehnoloogiate põhikomponent. Kvantreiiter on pikkade vahemaadega suhtlemise võtmeelement. Kvantlüliti teleportatsioon, dimensioonipõhine andmetöötlus ja kvantvõrgud on kõik selle tuletised. Seda kasutatakse ka lihtsa tööriistana ajakõverate ja mustade aukude aurustumisega seotud "äärmusliku" füüsika uurimiseks.
Tänapäeval on kvantteleportatsioon leidnud kinnitust laborites üle maailma, mis kasutavad paljusid erinevaid substraate ja tehnoloogiaid, sealhulgas fotoonilisi kubite, tuumamagnetresonantsi, optilisi režiime, aatomirühmi, lõksus olevaid aatomeid japooljuhtsüsteemid. Teleportatsiooni ulatuse vallas on saavutatud silmapaistvaid tulemusi, tulemas on katsetused satelliitidega. Lisaks on alanud katsed ulatuda keerukamate süsteemideni.
Kubittide teleportatsioon
Kvantteleportatsiooni kirjeldati esmakordselt kahetasandiliste süsteemide, nn kubitite jaoks. Protokoll käsitleb kahte kauget osapoolt, nimega Alice ja Bob, kes jagavad 2 qubitti, A ja B, puhtas takerdunud olekus, mida nimetatakse ka Belli paariks. Sisendis antakse Alice'ile veel üks kubit a, mille olek ρ on teadmata. Seejärel viib ta läbi ühise kvantmõõtmise, mida nimetatakse Belli tuvastamiseks. See võtab a ja A ühte neljast Belli olekust. Selle tulemusena kaob Alice'i sisendkubiti olek mõõtmise ajal ja Bobi B qubit projitseeritakse samaaegselt Р†kρP k. Protokolli viimases etapis saadab Alice oma mõõtmise klassikalise tulemuse Bobile, kes kasutab algse ρ. Pauli operaatorit Pk
Alice'i kubiidi algolekut peetakse tundmatuks, sest vastasel juhul taandatakse protokoll kaugmõõtmisele. Teise võimalusena võib see ise olla osa suuremast liitsüsteemist, mida jagatakse kolmanda osapoolega (sel juhul nõuab edukas teleportatsioon kõigi korrelatsioonide taasesitamist selle kolmanda osapoolega).
Tüüpiline kvantteleportatsiooni katse eeldab, et algseisund on puhas ja kuulub piiratud tähestiku hulka,näiteks Blochi sfääri kuus poolust. Dekoherentsi olemasolul saab rekonstrueeritud oleku kvaliteeti kvantifitseerida teleportatsiooni täpsusega F ∈ [0, 1]. See on täpsus Alice'i ja Bobi olekute vahel, mis on keskmistatud kõigi Belli tuvastamise tulemuste ja algse tähestiku alusel. Madala täpsuse väärtuste korral on olemas meetodid, mis võimaldavad ebatäiuslikku teleportatsiooni ilma hägustatud ressurssi kasutamata. Näiteks saab Alice oma algolekut otse mõõta, saates tulemused Bobile, kes valmistab ette tulemuse. Seda mõõtmis-ettevalmistusstrateegiat nimetatakse "klassikaliseks teleportatsiooniks". Selle maksimaalne täpsus on Fclass=2/3 suvalise sisendoleku korral, mis on võrdne vastastikku erapooletute olekute tähestikuga, näiteks Blochi sfääri kuue poolusega.
Seega viitab kvantressursside kasutamisele selgelt täpsusväärtus F> Fclass.
Mitte ühtegi kubitit
Vastav alt kvantfüüsikale ei piirdu teleportatsioon kubitidega, see võib hõlmata mitmemõõtmelisi süsteeme. Iga lõpliku mõõtme d jaoks saab formuleerida ideaalse teleportatsiooniskeemi, kasutades maksimaalselt põimunud olekuvektorite baasi, mille saab saada antud maksimaalselt põimunud olekust ja alusest {Uk} unitaartehteid, mis rahuldavad tr(U †j Uk)=dδj, k . Sellise protokolli saab koostada iga lõpliku mõõtmega Hilberti jaoksruumid nn. diskreetsete muutujate süsteemid.
Pealegi saab kvantteleportatsiooni laiendada ka lõpmatumõõtmelise Hilberti ruumiga süsteemidele, mida nimetatakse pideva muutujaga süsteemideks. Reeglina realiseeritakse need optiliste bosoniliste režiimidega, mille elektrivälja saab kirjeldada kvadratuurioperaatoritega.
Kiiruse ja määramatuse põhimõte
Mis on kvantteleportatsiooni kiirus? Teavet edastatakse kiirusega, mis sarnaneb sama palju klassikalise edastamise kiirusega – võib-olla valguse kiirusel. Teoreetiliselt saab seda kasutada viisil, mida klassikaline ei saa – näiteks kvantarvutuses, kus andmed on kättesaadavad ainult vastuvõtjale.
Kas kvantteleportatsioon rikub määramatuse põhimõtet? Varem ei võtnud teadlased teleportatsiooni ideed väga tõsiselt, kuna arvati, et see rikub põhimõtet, et mis tahes mõõtmis- või skaneerimisprotsess ei eralda kogu teavet aatomi või muu objekti kohta. Määramatuse printsiibi järgi, mida täpsemini objekti skannitakse, seda rohkem mõjutab skaneerimisprotsess seda, kuni jõutakse punktini, kus objekti algseisund rikutakse sedavõrd, et seda pole enam võimalik saada. piisav alt teavet täpse koopia loomiseks. See kõlab veenv alt: kui inimene ei saa objektist teavet eraldada, et luua täiuslikku koopiat, siis viimast ei saa teha.
Kvantteleportatsioon mannekeenidele
Kuid kuus teadlast (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez ja William Wuthers) leidsid võimaluse sellest loogikast mööda minna, kasutades kvantmehaanika kuulsat ja paradoksaalset tunnust, mida tuntakse Einsteini-Podolski- Roseni efekt. Nad leidsid võimaluse skannida osa teleporteeritud objekti A teabest ja kanda ülejäänud kontrollimata osa mainitud efekti kaudu teisele objektile C, mis pole kunagi A-ga kokku puutunud.
Lisaks, rakendades C-le mõju, mis sõltub skannitud teabest, saate enne skannimist viia C olekusse A. A ise ei ole enam samas olekus, kuna seda on skannimisprotsess täielikult muutnud, seega on saavutatud teleportatsioon, mitte replikatsioon.
Võitlus vahemiku nimel
- Esimese kvantteleportatsiooni viisid 1997. aastal läbi peaaegu samaaegselt Innsbrucki ülikooli ja Rooma ülikooli teadlased. Katse käigus muudeti algset footonit, millel on polarisatsioon, ja ühte takerdunud footonite paarist nii, et teine footon sai esialgse polarisatsiooni. Sel juhul olid mõlemad footonid üksteisest kaugel.
- 2012. aastal toimus järjekordne kvantteleportatsioon (Hiina, Teadus- ja Tehnikaülikool) läbi 97 km kaugusel asuva kõrge mägijärve. Shanghai teadlaste rühmal, mida juhtis Huang Yin, õnnestus välja töötada suunamismehhanism, mis võimaldas kiiret täpselt sihtida.
- Sama aasta septembris viidi läbi rekordiline kvantteleportatsioon 143 km. Austria teadlased Austria Teaduste Akadeemiast ja ülikoolistViin viis Anton Zeilingeri juhtimisel eduk alt üle kvantriigid kahe Kanaari saare – La Palma ja Tenerife – vahel. Katses kasutati kahte avatud ruumi optilist sideliini, kvant- ja klassikalist, sageduskorrelatsioonita polarisatsiooniga põimunud allika footonite paari, ülimadala müratasemega ühefootonidetektoreid ja seotud kella sünkroniseerimist.
- 2015. aastal edastasid USA riikliku standardi- ja tehnoloogiainstituudi teadlased esimest korda optilise kiu kaudu teavet rohkem kui 100 km kaugusel. See sai võimalikuks tänu instituudis loodud ühefotoni detektoritele, mis kasutasid ülijuhtivaid nanotraate, mis on valmistatud molübdeensilitsiidist.
On selge, et ideaalset kvantsüsteemi või -tehnoloogiat veel ei eksisteeri ja tuleviku suured avastused on alles ees. Sellegipoolest võib proovida tuvastada võimalikke kandidaate konkreetsetes teleportatsiooni rakendustes. Nende sobiv hübridiseerimine, arvestades ühilduvat raamistikku ja meetodeid, võib pakkuda kvantteleportatsiooni ja selle rakenduste jaoks kõige lootustandvamat tulevikku.
Lühikesed vahemaad
Teleportatsioon lühikestel vahemaadel (kuni 1 m) kvantandmetöötluse alamsüsteemina on pooljuhtseadmete jaoks paljulubav, millest parim on QED-skeem. Eelkõige võivad ülijuhtivad transmon-kubitid tagada deterministliku ja ülitäpse kiibil oleva teleportatsiooni. Need võimaldavad ka reaalajas otsesööda, mistundub fotooniliste kiipide puhul problemaatiline. Lisaks pakuvad need mastaapsemat arhitektuuri ja olemasolevate tehnoloogiate paremat integreerimist võrreldes varasemate lähenemisviisidega, näiteks lõksu jäänud ioonidega. Praegu näib nende süsteemide ainsaks puuduseks olevat nende piiratud koherentsuse aeg (<100 µs). Selle probleemi saab lahendada, integreerides QED-ahela pooljuhtide spin-ansambli mälurakkudega (lämmastikuga asendatud vabade töökohtade või haruldaste muldmetallidega legeeritud kristallidega), mis võib anda kvantandmete salvestamiseks pika koherentsusaja. Selle rakendamisega tegelevad praegu teadusringkonnad palju pingutusi.
Linna side
Optilisi režiime kasutades saab arendada teleportatsiooni linna mastaabis (mitu kilomeetrit). Piisav alt väikeste kadudega tagavad need süsteemid suure kiiruse ja ribalaiuse. Neid saab laiendada töölauarakendustelt keskmise ulatusega süsteemidele, mis töötavad õhu või kiudoptiliste seadmete kaudu, võimalusega integreerida ansambli kvantmäluga. Pikemaid vahemaid, kuid väiksemaid kiirusi on võimalik saavutada hübriidse lähenemise või mitte-Gaussi protsessidel põhinevate heade repiiterite väljatöötamisega.
Kaugside
Pikamaa kvantteleportatsioon (üle 100 km) on aktiivne ala, kuid sellel on endiselt lahtine probleem. Polarisatsiooni kubitid -parimad kandjad madala kiirusega teleportatsiooniks pikkade fiiberlinkide ja õhu kaudu, kuid protokoll on hetkel ebatäieliku kellatuvastuse tõttu tõenäosuslik.
Kuigi tõenäosuslik teleportatsioon ja takerdumised on vastuvõetavad selliste probleemide puhul nagu takerdumise destilleerimine ja kvantkrüptograafia, erineb see selgelt suhtlusest, mille puhul sisend tuleb täielikult säilitada.
Kui me aktsepteerime seda tõenäosuslikku laadi, siis on satelliidirakendused tänapäevase tehnoloogia käeulatuses. Lisaks jälgimismeetodite integreerimisele on peamiseks probleemiks kiire levikust põhjustatud suured kaod. Seda saab ületada konfiguratsioonis, kus takerdumine jaotatakse satelliidilt suure avaga maapealsetele teleskoopidele. Eeldades, et satelliidi ava 600 km kõrgusel on 20 cm ja teleskoobi ava 1 m maapinnal, võib oodata umbes 75 dB allalingi kadu, mis on väiksem kui 80 dB kadu maapinnal. Maa-satelliit või satelliit-satelliit-rakendused on keerukamad.
Kvantmälu
Teleportatsiooni edaspidine kasutamine skaleeritava võrgu osana sõltub otseselt selle integreerimisest kvantmäluga. Viimasel peaks olema suurepärane kiirgus-aine liides muundamise efektiivsuse, salvestamise ja lugemise täpsuse, salvestusaja ja ribalaiuse, suure kiiruse ja salvestusmahu poolest. EsiteksSee omakorda võimaldab releede kasutamist laiendada sidet palju kaugemale otseedastusest, kasutades veaparanduskoode. Hea kvantmälu arendamine võimaldaks mitte ainult jaotada takerdumist üle võrgu ja teleportatsiooni side, vaid ka töödelda salvestatud teavet sidus alt. Lõppkokkuvõttes võib see muuta võrgu ülemaailmselt hajutatud kvantarvutiks või tulevase kvantinterneti aluse.
Lubatõotavad arengud
Atomic ansambleid on traditsiooniliselt peetud atraktiivseks nende tõhusa valguse aineks muundamise ja millisekundite eluea tõttu, mis võib ulatuda 100 ms-ni, mis on vajalik valguse ülekandmiseks ülemaailmsel tasandil. Tänapäeval on aga oodata paljutõotavamaid arenguid, mis põhinevad pooljuhtsüsteemidel, kus suurepärane spin-ensemble kvantmälu on otseselt integreeritud skaleeritava QED-ahela arhitektuuriga. See mälu ei saa mitte ainult pikendada QED-ahela koherentsusaega, vaid pakkuda ka optilise ja mikrolaine liidest optilise side ja kiibi mikrolaine footonite omavaheliseks muundamiseks.
Seega põhinevad teadlaste tulevased avastused kvantinterneti vallas tõenäoliselt pikamaa optilisel sidel, mis on ühendatud kvantteabe töötlemiseks pooljuhtsõlmedega.
