Kvantna teleportacija jedan je od najvažnijih protokola u kvantnim informacijama. Na temelju fizičkog resursa isprepletenosti, služi kao glavni element različitih informacijskih zadataka i važna je komponenta kvantnih tehnologija, igrajući ključnu ulogu u daljnjem razvoju kvantnog računanja, mreža 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 najuzbudljivijih posljedica "čudnosti" kvantne mehanike. Prije nego što su napravljena ova velika otkrića, ova ideja pripadala je području znanstvene fantastike. Prvi put skovan 1931. od strane Charlesa H. Forta, termin "teleportacija" se od tada koristi za označavanje procesa kojim se tijela i objekti prenose s jednog mjesta na drugo bez stvarnog prelaska udaljenosti između njih.
Godine 1993. objavljen je članak koji opisuje kvantni informacijski protokol, tzv."kvantna teleportacija", koja je dijelila nekoliko gore navedenih značajki. U njemu se nepoznato stanje fizičkog sustava mjeri i naknadno reproducira ili "ponovno sastavlja" na udaljenoj lokaciji (fizički elementi izvornog sustava ostaju na mjestu prijenosa). Ovaj proces zahtijeva klasična sredstva komunikacije i isključuje FTL komunikaciju. Potreban je resurs zapletanja. Zapravo, teleportacija se može promatrati kao kvantni informacijski protokol koji najjasnije pokazuje prirodu zapetljanosti: bez njegove prisutnosti takvo stanje prijenosa ne bi bilo moguće u okviru zakona koji opisuju kvantnu mehaniku.
Teleportacija igra aktivnu ulogu u razvoju informacijske znanosti. S jedne strane, to je konceptualni protokol koji igra odlučujuću ulogu u razvoju formalne teorije kvantne informacije, a s druge strane, temeljna je komponenta mnogih tehnologija. Kvantni repetitor je ključni element komunikacije na velikim udaljenostima. Teleportacija kvantnog prekidača, računanje temeljeno na dimenzijama i kvantne mreže su sve derivati toga. Također se koristi kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike u pogledu vremenskih krivulja i isparavanja crne rupe.
Danas je kvantna teleportacija potvrđena u laboratorijima diljem svijeta koristeći mnoge različite supstrate i tehnologije, uključujući fotonske kubite, nuklearnu magnetsku rezonanciju, optičke modove, skupine atoma, zarobljene atome ipoluvodičkim sustavima. Postignuti su izvanredni rezultati na području teleportacijskog dometa, dolaze eksperimenti sa satelitima. Osim toga, počeli su se pokušaji proširiti na složenije sustave.
Teleportacija kubita
Kvantna teleportacija prvi put je opisana za dvorazinske sustave, takozvane kubiti. Protokol uzima u obzir dvije udaljene strane, zvane Alice i Bob, koje dijele 2 kubita, A i B, u čisto zapetljanom stanju, koji se također naziva par Bell. Na ulazu Alice dobiva drugi kubit a, čije stanje ρ je nepoznato. Zatim izvodi zajedničko kvantno mjerenje pod nazivom Bell detekcija. Potrebno je a i A do jednog od četiri Bellova stanja. Kao rezultat toga, stanje Aliceinog ulaznog kubita nestaje tijekom mjerenja, a Bobov B kubit se istovremeno projicira na R†kρP k. U posljednjoj fazi protokola, Alice šalje klasični rezultat svog mjerenja Bobu, koji koristi Paulijev operator Pk za vraćanje izvornog ρ.
Početno stanje Aliceina kubita smatra se nepoznatim, jer se inače protokol svodi na njegovo daljinsko mjerenje. Alternativno, može i sama biti dio većeg kompozitnog sustava koji se dijeli s trećom stranom (u tom slučaju uspješna teleportacija zahtijeva reprodukciju svih korelacija s tom trećom stranom).
Tipični eksperiment kvantne teleportacije pretpostavlja da je početno stanje čisto i pripada ograničenoj abecedi,na primjer, šest polova Blochove sfere. U prisutnosti dekoherencije, kvaliteta rekonstruiranog stanja može se kvantificirati točnošću teleportacije F ∈ [0, 1]. Ovo je točnost između stanja Alice i Boba, prosječna za sve rezultate detekcije zvona i izvornu abecedu. Pri niskim vrijednostima točnosti, postoje metode koje omogućuju nesavršenu teleportaciju bez korištenja zamagljenih resursa. Na primjer, Alice može izravno izmjeriti svoje početno stanje slanjem rezultata Bobu da pripremi rezultirajuće stanje. Ova strategija mjerenja i pripreme naziva se "klasična teleportacija". Ima maksimalnu preciznost od Fclass=2/3 za proizvoljno stanje unosa, što je ekvivalentno abecedi međusobno nepristranih stanja, kao što je šest polova Blochove sfere.
Dakle, jasan pokazatelj korištenja kvantnih resursa je vrijednost točnosti F> Fclass.
Niti jedan kubit
Prema kvantnoj fizici, teleportacija nije ograničena na kubite, ona može uključivati višedimenzionalne sustave. Za svaku konačnu dimenziju d, može se formulirati idealna shema teleportacije koristeći bazu maksimalno zapletenih vektora stanja, koja se može dobiti iz danog maksimalno zapletenog stanja i baze {Uk} od unitarni operatori koji zadovoljavaju tr(U †j Uk)=dδj, k . Takav se protokol može konstruirati za bilo kojeg konačno-dimenzionalnog Hilbertaprostori tzv. diskretni varijabilni sustavi.
Osim toga, kvantna teleportacija se također može proširiti na sustave s beskonačno-dimenzionalnim Hilbertovim prostorom, koji se nazivaju sustavi s kontinuiranom promjenjivom. U pravilu se realiziraju optičkim bosonskim modovima čije se električno polje može opisati kvadraturnim operatorima.
Princip brzine i nesigurnosti
Koja je brzina kvantne teleportacije? Informacije se prenose brzinom sličnom onoj iste količine klasičnog prijenosa - možda brzinom svjetlosti. Teoretski, može se koristiti na način na koji klasični ne može - na primjer, u kvantnom računarstvu, gdje su podaci dostupni samo primatelju.
Da li kvantna teleportacija krši princip nesigurnosti? U prošlosti, ideju teleportacije znanstvenici nisu shvaćali vrlo ozbiljno jer se smatralo da krši princip da bilo koji proces mjerenja ili skeniranja ne bi izvukao sve informacije atoma ili drugog objekta. Prema principu nesigurnosti, što je objekt točnije skeniran, to je više pod utjecajem procesa skeniranja, sve dok se ne postigne točka u kojoj je izvorno stanje objekta narušeno u tolikoj mjeri da više nije moguće dobiti dovoljno informacija za stvaranje točne kopije. Ovo zvuči uvjerljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz objekta kako bi stvorila savršenu kopiju, tada se ne može napraviti posljednja.
Kvantna teleportacija za lutke
Ali šest znanstvenika (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez i William Wuthers) pronašli su način zaobići ovu logiku korištenjem poznate i paradoksalne značajke kvantne mehanike poznate kao Einstein-Podolsky- Rosenov efekt. Našli su način da skeniraju dio informacija teleportiranog objekta A, a ostatak neprovjerenog dijela preko spomenutog efekta prenesu na drugi objekt C, koji nikada nije bio u kontaktu s A.
Dalje, primjenom utjecaja na C koji ovisi o skeniranim informacijama, možete staviti C u stanje A prije skeniranja. Sam A više nije u istom stanju, jer je u potpunosti promijenjen procesom skeniranja, tako da je postignuto teleportacija, a ne replikacija.
Borba za domet
- Prvu kvantnu teleportaciju izveli su 1997. gotovo istovremeno znanstvenici sa Sveučilišta Innsbruck i Sveučilišta u Rimu. Tijekom pokusa, izvorni foton, koji ima polarizaciju, i jedan od para isprepletenih fotona promijenjeni su na način da je drugi foton dobio polarizaciju izvornog. U ovom slučaju, oba fotona su bila na udaljenosti jedan od drugog.
- U 2012. godini dogodila se još jedna kvantna teleportacija (Kina, Sveučilište znanosti i tehnologije) kroz visokoplaninsko jezero na udaljenosti od 97 km. Tim znanstvenika iz Šangaja, predvođen Huang Yinom, uspio je razviti mehanizam za navođenje koji je omogućio precizno usmjeravanje zraka.
- U rujnu iste godine izvršena je rekordna kvantna teleportacija od 143 km. Austrijski znanstvenici s Austrijske akademije znanosti i SveučilištaBeč, predvođen Antonom Zeilingerom, uspješno je prenio kvantna stanja između dva Kanarska otoka La Palma i Tenerife. Eksperiment je koristio dvije optičke komunikacijske linije u otvorenom prostoru, kvantnu i klasičnu, frekventno nekoreliranu polarizaciju, isprepleteni par izvornih fotona, ultra-niskošumni detektori jednog fotona i spojena sinkronizacija sata.
- U 2015., istraživači s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju po prvi su put prenijeli informacije na udaljenosti većoj od 100 km putem optičkog vlakna. To je postalo moguće zahvaljujući jednofotonskim detektorima stvorenim u institutu, koristeći supravodljive nanožice izrađene od molibden silicida.
Jasno je da idealni kvantni sustav ili tehnologija još ne postoji, a velika otkrića budućnosti tek dolaze. Ipak, može se pokušati identificirati moguće kandidate u specifičnim primjenama teleportacije. Prikladna hibridizacija ovih, s obzirom na kompatibilan okvir i metode, mogla bi pružiti najperspektivniju budućnost za kvantnu teleportaciju i njene primjene.
Kratke udaljenosti
Teleportacija na kratke udaljenosti (do 1 m) kao kvantni računalni podsustav obećava za poluvodičke uređaje, od kojih je najbolja QED shema. Konkretno, supravodljivi transmon kubiti mogu jamčiti determinističku i visoko preciznu teleportaciju na čipu. Oni također omogućuju izravni feed u stvarnom vremenu, štoizgleda 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 se čini da je jedini nedostatak ovih sustava njihovo ograničeno vrijeme koherencije (<100 µs). Ovaj se problem može riješiti integracijom QED kruga s poluvodičkim spin-ansambl memorijskim ćelijama (sa prazninama supstituiranim dušikom ili kristalima dopiranim rijetkim zemljom), što može osigurati dugo vrijeme koherencije za pohranu kvantnih podataka. Ova implementacija trenutno je predmet mnogih napora znanstvene zajednice.
Gradska komunikacija
Teleportacija u gradskoj skali (nekoliko kilometara) mogla bi se razviti pomoću optičkih načina. Uz dovoljno male gubitke, ovi sustavi pružaju velike brzine i propusnost. Mogu se proširiti od desktop implementacija na sustave srednjeg dometa koji rade preko zraka ili vlakana, uz moguću integraciju s kvantnom memorijom ansambla. Duže udaljenosti, ali niže brzine mogu se postići hibridnim pristupom ili razvojem dobrih repetitora na temelju ne-Gaussovih procesa.
komunikacija na daljinu
Kvantna teleportacija na velike udaljenosti (preko 100 km) je aktivno područje, ali još uvijek pati od otvorenog problema. Polarizacijski kubiti -najbolji nosači za teleportaciju male brzine preko dugih vlakanskih veza i preko zraka, ali je protokol trenutno vjerojatnost zbog nepotpune detekcije zvona.
Dok su vjerojatnostna teleportacija i zapletanja prihvatljivi za probleme kao što su destilacija isprepletenosti i kvantna kriptografija, ovo se jasno razlikuje od komunikacije, u kojoj se unos mora u potpunosti sačuvati.
Ako prihvatimo ovu vjerojatnost, tada su implementacije satelita u dosegu moderne tehnologije. Uz integraciju metoda praćenja, glavni problem su visoki gubici uzrokovani širenjem snopa. To se može prevladati u konfiguraciji u kojoj se zapetljanost distribuira sa satelita na zemaljske teleskope s velikim otvorom. Uz pretpostavku otvora satelita od 20 cm na 600 km nadmorske visine i otvora teleskopa od 1 m na tlu, može se očekivati oko 75 dB gubitka na downlink-u, što je manje od gubitka od 80 dB na razini tla. Implementacije zemlja-satelit ili satelit-satelit su složenije.
Kvantna memorija
Buduća upotreba teleportacije kao dijela skalabilne mreže izravno ovisi o njezinoj integraciji s kvantnom memorijom. Potonji bi trebao imati izvrsno sučelje zračenja u materiju u smislu učinkovitosti pretvorbe, točnosti snimanja i čitanja, vremena pohrane i propusnosti, velike brzine i kapaciteta pohrane. PrviZauzvrat, to će omogućiti korištenje releja za proširenje komunikacije daleko izvan izravnog prijenosa pomoću kodova za ispravljanje pogrešaka. Razvoj dobre kvantne memorije omogućio bi ne samo distribuciju zapetljanosti preko mreže i teleportacijske komunikacije, već i obradu pohranjenih informacija na koherentan način. U konačnici, ovo bi moglo pretvoriti mrežu u globalno distribuirano kvantno računalo ili osnovu za budući kvantni internet.
Obećavajući razvoji
Atomski ansambli tradicionalno se smatraju atraktivnim zbog njihove učinkovite pretvorbe svjetlosti u materiju i njihovog životnog vijeka u milisekundi, koji može biti čak 100 ms potrebnih za prijenos svjetlosti na globalnoj razini. Međutim, danas se očekuju razvoji koji više obećavaju temeljeni na poluvodičkim sustavima, gdje je izvrsna kvantna memorija spin-ansambla izravno integrirana sa skalabilnom arhitekturom QED sklopa. Ova memorija ne samo da može produžiti vrijeme koherencije QED kruga, već i pružiti optičko-mikrovalno sučelje za međupretvorbu optičko-telekomunikacionih i mikrovalnih fotona čipa.
Dakle, buduća otkrića znanstvenika u području kvantnog interneta vjerojatno će se temeljiti na optičkoj komunikaciji dugog dometa u kombinaciji s poluvodičkim čvorovima za obradu kvantnih informacija.
