Kvantna teleportacija je jedan od najvažnijih protokola u kvantnim informacijama. Na osnovu fizičkog resursa zapetljanosti, on služi kao glavni element različitih informacionih zadataka i važna je komponenta kvantnih tehnologija, igrajući ključnu ulogu u daljem razvoju kvantnog računarstva, mreža i komunikacija.
Od naučne fantastike do otkrića naučnika
Prošlo je više od dvije decenije 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 naučne fantastike. Prvi put skovan od strane Charlesa H. Forta 1931. godine, 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.
1993. godine objavljen je članak koji opisuje kvantni informacioni protokol, tzv."kvantna teleportacija", koja je dijelila nekoliko gore navedenih karakteristika. U njemu se nepoznato stanje fizičkog sistema mjeri i naknadno reproducira ili "ponovno sastavlja" na udaljenoj lokaciji (fizički elementi originalnog sistema ostaju na mjestu prijenosa). Ovaj proces zahtijeva klasična sredstva komunikacije i isključuje FTL komunikaciju. Potreban je resurs zapletanja. U stvari, teleportacija se može posmatrati kao kvantni informacioni protokol koji najjasnije pokazuje prirodu zapetljanosti: bez njenog prisustva takvo stanje transmisije ne bi bilo moguće u okviru zakona koji opisuju kvantnu mehaniku.
Teleportacija igra aktivnu ulogu u razvoju informatičke nauke. S jedne strane, to je konceptualni protokol koji igra odlučujuću ulogu u razvoju formalne teorije kvantne informacije, a s druge strane je temeljna komponenta mnogih tehnologija. Kvantni repetitor je ključni element komunikacije na velikim udaljenostima. Teleportacija kvantnog prekidača, računanje zasnovano na dimenzijama i kvantne mreže su svi njegovi derivati. Takođe se koristi kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike u pogledu vremenskih krivulja i isparavanja crne rupe.
Danas je kvantna teleportacija potvrđena u laboratorijama širom svijeta koristeći mnoge različite supstrate i tehnologije, uključujući fotonske kubite, nuklearnu magnetnu rezonancu, optičke modove, grupe atoma, zarobljene atome ipoluprovodnički sistemi. Izuzetni rezultati su postignuti u oblasti teleportacionog dometa, dolaze eksperimenti sa satelitima. Osim toga, počeli su pokušaji da se povećaju na složenije sisteme.
Teleportacija kubita
Kvantna teleportacija je prvi put opisana za sisteme na dva nivoa, takozvane kubiti. Protokol uzima u obzir dvije udaljene strane, zvane Alice i Bob, koje dijele 2 kubita, A i B, u čisto zapletenom stanju, koji se također naziva par Bell. Na ulazu, Alisi je dat 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 Bell stanja. Kao rezultat toga, stanje Alisinog ulaznog kubita nestaje tokom mjerenja, a Bobov B kubit se istovremeno projektuje na R†kρP k. U posljednjoj fazi protokola, Alice šalje klasični rezultat svog mjerenja Bobu, koji koristi Paulijev operator Pk da vrati originalni ρ.
Početno stanje Alisinog kubita smatra se nepoznatim, jer se inače protokol svodi na njegovo daljinsko mjerenje. Alternativno, on sam može biti dio većeg kompozitnog sistema koji se dijeli sa trećom stranom (u tom slučaju, uspješna teleportacija zahtijeva reprodukciju svih korelacija sa tom trećom stranom).
Tipični eksperiment kvantne teleportacije pretpostavlja da je početno stanje čisto i pripada ograničenom alfabetu,na primjer, šest polova Blochove sfere. U prisustvu dekoherencije, kvalitet rekonstruisanog stanja može se kvantifikovati pomoću tačnosti teleportacije F ∈ [0, 1]. Ovo je tačnost između stanja Alice i Boba, prosječna za sve rezultate detekcije zvona i originalnu abecedu. Pri niskim vrijednostima tačnosti, postoje metode koje omogućavaju nesavršenu teleportaciju bez korištenja zamagljenih resursa. Na primjer, Alice može direktno 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 nepristrasnih stanja, kao što je šest polova Blohove sfere.
Dakle, jasna indikacija upotrebe kvantnih resursa je vrijednost tačnosti F> Fclass.
Ni jedan kubit
Prema kvantnoj fizici, teleportacija nije ograničena na kubite, ona može uključivati višedimenzionalne sisteme. Za svaku konačnu dimenziju d, može se formulisati idealna šema teleportacije koristeći osnovu vektora maksimalno zapletenog stanja, koji se može dobiti iz datog maksimalno zapletenog stanja i baze {Uk} od unitarni operatori koji zadovoljavaju tr(U †j Uk)=dδj, k . Takav protokol se može konstruirati za bilo kojeg Hilberta s konačnim dimenzijamaprostore tzv. diskretni varijabilni sistemi.
Osim toga, kvantna teleportacija se takođe može proširiti na sisteme sa beskonačno-dimenzionalnim Hilbertovim prostorom, koji se nazivaju sistemi sa kontinuiranom promenljivom. Po pravilu se realizuju 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 primaocu.
Da li kvantna teleportacija krši princip neizvjesnosti? U prošlosti, ideju teleportacije naučnici nisu shvaćali vrlo ozbiljno jer se smatralo da krši princip da bilo koji proces mjerenja ili skeniranja ne bi izvukao sve informacije o atomu ili drugom objektu. Prema principu neizvjesnosti, što je objekt preciznije skeniran, to je više pod utjecajem procesa skeniranja, sve dok se ne dođe do točke u kojoj je prvobitno stanje objekta narušeno do te mjere da više nije moguće dobiti dovoljno informacija da se napravi tačna kopija. Ovo zvuči uvjerljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz objekta kako bi stvorila savršenu kopiju, onda se ne može napraviti posljednja.
Kvantna teleportacija za lutke
Ali šest naučnika (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez i William Wuthers) pronašli su način da zaobiđu ovu logiku koristeći čuvenu i paradoksalnu osobinu kvantne mehanike poznate kao Einstein-Podolsky- Rosenov efekat. Našli su način da skeniraju dio informacija teleportiranog objekta A, a ostatak neprovjerenog dijela preko spomenutog efekta prenesu na drugi objekat C, koji nikada nije bio u kontaktu sa A.
Dalje, primjenom na C utjecaja 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. godine gotovo istovremeno naučnici sa Univerziteta u Insbruku i Univerziteta u Rimu. Tokom eksperimenta, originalni foton koji ima polarizaciju i jedan od para upletenih fotona su promijenjeni na način da je drugi foton dobio polarizaciju originalnog. U ovom slučaju, oba fotona su bila na udaljenosti jedan od drugog.
- U 2012. godini dogodila se još jedna kvantna teleportacija (Kina, Univerzitet nauke i tehnologije) kroz visokoplaninsko jezero na udaljenosti od 97 km. Tim naučnika iz Šangaja, predvođen Huang Yinom, uspio je razviti mehanizam za navođenje koji je omogućio precizno usmjeravanje zraka.
- U septembru iste godine izvršena je rekordna kvantna teleportacija od 143 km. Austrijski naučnici sa Austrijske akademije nauka i UniverzitetaBeč, predvođen Antonom Zeilingerom, uspješno je prenio kvantna stanja između dva Kanarska ostrva 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 sinhronizacija sata.
- U 2015, istraživači iz američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju po prvi put su prenijeli informacije na udaljenosti većoj od 100 km putem optičkog vlakna. Ovo je postalo moguće zahvaljujući jednofotonskim detektorima kreiranim u institutu, koristeći supravodljive nanožice napravljene od molibden silicida.
Jasno je da idealni kvantni sistem ili tehnologija još ne postoji i da velika otkrića budućnosti tek dolaze. Ipak, moguće je pokušati identificirati moguće kandidate u specifičnim primjenama teleportacije. Odgovarajuća 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 računarski podsistem obećava za poluprovodničke uređaje, od kojih je najbolja QED šema. Konkretno, supravodljivi transmon kubiti mogu garantovati determinističku i visoko preciznu teleportaciju na čipu. Oni također omogućavaju direktno hranjenje u realnom vremenu, štoizgleda problematično na fotonskim čipovima. Osim toga, oni pružaju skalabilniju arhitekturu i bolju integraciju postojećih tehnologija u poređenju sa prethodnim pristupima kao što su zarobljeni joni. Trenutno se čini da je jedini nedostatak ovih sistema njihovo ograničeno vrijeme koherentnosti (<100 µs). Ovaj problem se može riješiti integracijom QED kola sa poluvodičkim spin-ansambl memorijskim ćelijama (sa slobodnim mjestima supstituiranim dušikom ili kristalima dopiranim rijetkim zemljom), što može osigurati dugo vrijeme koherentnosti za pohranu kvantnih podataka. Ova implementacija je trenutno predmet velikog napora naučne zajednice.
Gradska komunikacija
Teleportacija u gradskoj skali (nekoliko kilometara) mogla bi se razviti pomoću optičkih modova. Uz dovoljno male gubitke, ovi sistemi pružaju velike brzine i propusni opseg. Mogu se proširiti sa desktop implementacija na sisteme srednjeg dometa koji rade preko zraka ili vlakana, uz moguću integraciju sa kvantnom memorijom ansambla. Veće udaljenosti ali manje brzine mogu se postići hibridnim pristupom ili razvojem dobrih repetitora zasnovanih na ne-Gausovim procesima.
Komunikacija na daljinu
Kvantna teleportacija na velike udaljenosti (preko 100 km) je aktivno područje, ali još uvijek pati od otvorenog problema. Polarizacioni kubiti -najbolji nosači za teleportaciju male brzine preko dugih fiber linkova i preko zraka, ali je protokol trenutno vjerovatno zbog nepotpune detekcije zvona.
Dok su verovatnoća teleportacije i zapletanja prihvatljivi za probleme kao što su destilacija zapletanja i kvantna kriptografija, ovo se jasno razlikuje od komunikacije, u kojoj ulaz mora biti potpuno sačuvan.
Ako prihvatimo ovu vjerovatnoću, onda su implementacije satelita u dosegu moderne tehnologije. Uz integraciju metoda praćenja, glavni problem su veliki gubici uzrokovani širenjem zraka. Ovo se može prevazići u konfiguraciji u kojoj se zapetljanost distribuira sa satelita na zemaljske teleskope s velikim otvorom. Uz pretpostavku satelitskog otvora od 20 cm na 600 km nadmorske visine i otvora teleskopa od 1 m na zemlji, može se očekivati oko 75 dB gubitka veze u nizu, što je manje od gubitka od 80 dB na nivou tla. Implementacije zemlja-satelit ili satelit-satelit su složenije.
Kvantna memorija
Buduća upotreba teleportacije kao dela skalabilne mreže direktno zavisi od njene integracije sa kvantnom memorijom. Potonji bi trebao imati odličan interfejs zračenja-materije u smislu efikasnosti konverzije, tačnosti snimanja i čitanja, vremena skladištenja i propusnog opsega, velike brzine i kapaciteta skladištenja. PrvoZauzvrat, ovo će omogućiti korištenje releja za proširenje komunikacije daleko izvan direktnog prijenosa korištenjem kodova za ispravljanje grešaka. Razvoj dobre kvantne memorije omogućio bi ne samo distribuciju zamršenosti preko mreže i teleportacionu komunikaciju, već i obradu pohranjenih informacija na koherentan način. Na kraju, ovo bi moglo pretvoriti mrežu u globalno distribuirani kvantni kompjuter ili osnovu za budući kvantni internet.
Obećavajući razvoji
Atomski ansambli se tradicionalno smatraju atraktivnim zbog njihove efikasne konverzije 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 obećavajući razvoji zasnovani na poluprovodničkim sistemima, gde je odlična kvantna memorija spin-ansambla direktno integrisana sa skalabilnom arhitekturom QED kola. Ova memorija ne samo da može produžiti vrijeme koherentnosti QED kola, već i obezbijediti optičko-mikrotalasno sučelje za međukonverziju optičko-telekomunikacionih i mikrotalasnih fotona čipa.
Stoga, buduća otkrića naučnika u oblasti kvantnog interneta će verovatno biti zasnovana na optičkoj komunikaciji dugog dometa u kombinaciji sa poluprovodničkim čvorovima za obradu kvantnih informacija.
