Kvanteteleportering er en av de viktigste protokollene innen kvanteinformasjon. Basert på den fysiske ressursen for sammenfiltring, tjener den som hovedelementet i ulike informasjonsoppgaver og er en viktig komponent i kvanteteknologier, og spiller en nøkkelrolle i videreutviklingen av kvantedatabehandling, nettverk og kommunikasjon.
Fra science fiction til oppdagelsen av forskere
Det har gått mer enn to tiår siden oppdagelsen av kvanteteleportering, som kanskje er en av de mest interessante og spennende konsekvensene av kvantemekanikkens "merkelighet". Før disse store funnene ble gjort, tilhørte denne ideen science fiction-området. Begrepet "teleportering" ble først laget i 1931 av Charles H. Fort, og har siden blitt brukt for å referere til prosessen der kropper og gjenstander overføres fra ett sted til et annet uten å faktisk reise avstanden mellom dem.
I 1993 ble det publisert en artikkel som beskrev kvanteinformasjonsprotokollen, k alt"kvanteteleportering", som delte flere av funksjonene som er oppført ovenfor. I den blir den ukjente tilstanden til et fysisk system målt og deretter reprodusert eller "remontert" på et eksternt sted (de fysiske elementene i det originale systemet forblir på overføringsstedet). Denne prosessen krever klassiske kommunikasjonsmidler og utelukker FTL-kommunikasjon. Den trenger en ressurs for sammenfiltring. Faktisk kan teleportering sees på som en kvanteinformasjonsprotokoll som tydeligst demonstrerer innholdet av sammenfiltring: uten dens tilstedeværelse ville en slik overføringstilstand ikke vært mulig innenfor rammen av lovene som beskriver kvantemekanikk.
Teleportasjon spiller en aktiv rolle i utviklingen av informasjonsvitenskap. På den ene siden er det en konseptuell protokoll som spiller en avgjørende rolle i utviklingen av formell kvanteinformasjonsteori, og på den andre siden er den en grunnleggende komponent i mange teknologier. Kvanterepeateren er et sentr alt element i kommunikasjon over lange avstander. Kvantesvitsjeteleportering, dimensjonsbasert databehandling og kvantenettverk er alle derivater av det. Den brukes også som et enkelt verktøy for å studere "ekstrem" fysikk angående tidskurver og fordampning av svarte hull.
I dag har kvanteteleportering blitt bekreftet i laboratorier rundt om i verden ved bruk av mange forskjellige substrater og teknologier, inkludert fotoniske qubits, kjernemagnetisk resonans, optiske moduser, grupper av atomer, fangede atomer oghalvledersystemer. Enestående resultater har blitt oppnådd innen teleporteringsrekkevidde, eksperimenter med satellitter kommer. I tillegg har det begynt forsøk på å skalere opp til mer komplekse systemer.
Teleportering av qubits
Quantum teleportation ble først beskrevet for to-nivå systemer, de såk alte qubits. Protokollen vurderer to fjerntliggende parter, k alt Alice og Bob, som deler 2 qubits, A og B, i en ren sammenfiltret tilstand, også k alt et Bell-par. Ved inngangen får Alice en annen qubit a, hvis tilstand ρ er ukjent. Hun utfører deretter en felles kvantemåling k alt Bell-deteksjon. Det tar a og A til en av de fire Bell-tilstandene. Som et resultat forsvinner tilstanden til Alices input-qubit under målingen, og Bobs B-qubit projiseres samtidig på Р†kρP k. På den siste fasen av protokollen sender Alice det klassiske resultatet av målingen til Bob, som bruker Pauli-operatøren Pk for å gjenopprette den opprinnelige ρ.
Begynnelsestilstanden til Alices qubit anses som ukjent, fordi ellers reduseres protokollen til fjernmåling. Alternativt kan det selv være en del av et større sammensatt system som deles med en tredjepart (i så fall krever vellykket teleportering reprodusering av alle korrelasjoner med den tredjeparten).
Et typisk kvanteteleportasjonseksperiment antar at starttilstanden er ren og tilhører et begrenset alfabet,for eksempel Bloch-sfærens seks poler. I nærvær av dekoherens kan kvaliteten på den rekonstruerte tilstanden kvantifiseres ved hjelp av teleporteringsnøyaktigheten F ∈ [0, 1]. Dette er nøyaktigheten mellom statene Alice og Bob, gjennomsnittlig over alle Bell-deteksjonsresultatene og det originale alfabetet. Ved lave nøyaktighetsverdier finnes det metoder som tillater ufullkommen teleportering uten å bruke en skjult ressurs. For eksempel kan Alice måle sin opprinnelige tilstand direkte ved å sende resultatene til Bob for å forberede den resulterende tilstanden. Denne målings-forberedelsesstrategien kalles "klassisk teleportering". Den har en maksimal presisjon på Fclass=2/3 for en vilkårlig inngangstilstand, som tilsvarer et alfabet med gjensidig objektive tilstander, for eksempel de seks polene til en Bloch-sfære.
Derfor er en klar indikasjon på bruken av kvanteressurser nøyaktighetsverdien F> Fclass.
Ikke en eneste qubit
I følge kvantefysikk er teleportering ikke begrenset til qubits, den kan inkludere flerdimensjonale systemer. For hver endelig dimensjon d kan man formulere et ideelt teleportasjonsskjema ved å bruke en basis av maksim alt sammenfiltrede tilstandsvektorer, som kan fås fra en gitt maksim alt sammenfiltret tilstand og en basis {Uk} av enhetsoperatører som tilfredsstiller tr(U †j Uk)=dδj, k . En slik protokoll kan konstrueres for enhver endelig dimensjonal Hilbertmellomrom av den såk alte. diskrete variable systemer.
Dessuten kan kvanteteleportering også utvides til systemer med et uendelig dimensjon alt Hilbert-rom, k alt kontinuerlige variable systemer. Som regel realiseres de av optiske bosoniske moduser, hvis elektriske felt kan beskrives av kvadraturoperatorer.
Hastighets- og usikkerhetsprinsipp
Hva er hastigheten på kvanteteleportering? Informasjon overføres med en hastighet som ligner på samme mengde klassisk overføring - kanskje med lysets hastighet. Teoretisk sett kan den brukes på måter som den klassiske ikke kan - for eksempel i kvanteberegning, hvor data kun er tilgjengelig for mottakeren.
Brider kvanteteleportering med usikkerhetsprinsippet? Tidligere ble ideen om teleportering ikke tatt veldig seriøst av forskere fordi det ble antatt å bryte prinsippet om at enhver måle- eller skanningsprosess ikke ville trekke ut all informasjonen til et atom eller et annet objekt. I henhold til usikkerhetsprinsippet, jo mer nøyaktig et objekt skannes, jo mer påvirkes det av skanningsprosessen, inntil et punkt nås hvor den opprinnelige tilstanden til objektet brytes i en slik grad at det ikke lenger er mulig å få tak i objektet. nok informasjon til å lage en nøyaktig kopi. Dette høres overbevisende ut: hvis en person ikke kan trekke ut informasjon fra et objekt for å lage en perfekt kopi, kan ikke den siste lages.
Quantum teleportation for dummies
Men seks forskere (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez og William Wuthers) fant en vei rundt denne logikken ved å bruke det berømte og paradoksale trekk ved kvantemekanikken kjent som Einstein-Podolsky- Rosen effekt. De fant en måte å skanne deler av informasjonen til det teleporterte objektet A, og overføre resten av den ubekreftede delen gjennom den nevnte effekten til et annet objekt C, som aldri har vært i kontakt med A.
Videre, ved å bruke på C en påvirkning som avhenger av den skannede informasjonen, kan du sette C i tilstand A før skanning. A i seg selv er ikke lenger i samme tilstand, siden den har blitt fullstendig endret av skanneprosessen, så det som er oppnådd er teleportering, ikke replikering.
Struggle for range
- Den første kvanteteleporteringen ble utført i 1997 nesten samtidig av forskere fra Universitetet i Innsbruck og Universitetet i Roma. Under eksperimentet ble det opprinnelige fotonet, som har en polarisering, og ett av paret av sammenfiltrede fotoner, endret på en slik måte at det andre fotonet fikk polarisasjonen til det opprinnelige. I dette tilfellet var begge fotonene i avstand fra hverandre.
- I 2012 fant nok en kvanteteleportering sted (Kina, University of Science and Technology) gjennom en høyfjellssjø i en avstand på 97 km. Et team av forskere fra Shanghai, ledet av Huang Yin, klarte å utvikle en målsøkingsmekanisme som gjorde det mulig å rette strålen nøyaktig.
- I september samme år ble det gjennomført en rekordkvanteteleportering på 143 km. Østerrikske forskere fra det østerrikske vitenskapsakademiet og universitetetWien, ledet av Anton Zeilinger, overførte vellykket kvantestater mellom de to Kanariøyene La Palma og Tenerife. Eksperimentet brukte to optiske kommunikasjonslinjer i åpent rom, kvante og klassisk, frekvensukorrelert polarisasjonssammenfiltrede par av kildefotoner, ultralav støy enkeltfotondetektorer og koblet klokkesynkronisering.
- I 2015 sendte forskere fra US National Institute of Standards and Technology for første gang informasjon over en avstand på mer enn 100 km via optisk fiber. Dette ble mulig takket være enkeltfotondetektorer laget ved instituttet, ved bruk av superledende nanotråder laget av molybdensilisid.
Det er klart at det ideelle kvantesystemet eller teknologien ennå ikke eksisterer, og fremtidens store oppdagelser er ennå ikke kommet. Likevel kan man prøve å identifisere mulige kandidater i spesifikke anvendelser av teleportering. Egnet hybridisering av disse, gitt et kompatibelt rammeverk og metoder, kan gi den mest lovende fremtiden for kvanteteleportering og dens applikasjoner.
Korte avstander
Teleportering over korte avstander (opptil 1 m) som et kvanteberegningsundersystem er lovende for halvlederenheter, den beste av disse er QED-ordningen. Spesielt kan superledende transmon-qubits garantere deterministisk og høypresisjon on-chip-teleportering. De tillater også direkte feed i sanntid, somser problematisk ut på fotoniske brikker. I tillegg gir de en mer skalerbar arkitektur og bedre integrering av eksisterende teknologier sammenlignet med tidligere tilnærminger som fangede ioner. For øyeblikket ser den eneste ulempen med disse systemene ut til å være deres begrensede koherenstid (<100 µs). Dette problemet kan løses ved å integrere QED-kretsen med halvlederspin-ensemble-minneceller (med nitrogensubstituerte ledige plasser eller sjeldne-jord-dopete krystaller), som kan gi lang koherenstid for kvantedatalagring. Denne implementeringen er for tiden gjenstand for mye innsats fra det vitenskapelige miljøet.
Bykommunikasjon
Teleportasjonskommunikasjon i byskala (flere kilometer) kan utvikles ved hjelp av optiske moduser. Med tilstrekkelig lave tap gir disse systemene høye hastigheter og båndbredde. De kan utvides fra desktop-implementeringer til mellomstore systemer som opererer over luften eller fiber, med mulig integrasjon med ensemble kvanteminne. Lengre avstander, men lavere hastigheter kan oppnås med en hybrid tilnærming eller ved å utvikle gode repeatere basert på ikke-Gaussiske prosesser.
Langdistansekommunikasjon
Langdistanse kvanteteleportering (over 100 km) er et aktivt område, men lider fortsatt av et åpent problem. Polarisasjonsqubits -de beste operatørene for lavhastighetsteleportering over lange fiberforbindelser og over luften, men protokollen er for øyeblikket sannsynlighet på grunn av ufullstendig Bell-deteksjon.
Mens probabilistisk teleportering og sammenfiltringer er akseptable for problemer som forviklingsdestillasjon og kvantekryptografi, er dette klart forskjellig fra kommunikasjon, der input må bevares fullstendig.
Hvis vi aksepterer denne sannsynlige naturen, er satellittimplementeringer innenfor rekkevidden av moderne teknologi. I tillegg til integrering av sporingsmetoder, er hovedproblemet høye tap forårsaket av strålespredning. Dette kan overvinnes i en konfigurasjon der sammenfiltring distribueres fra satellitten til bakkebaserte teleskoper med stor blenderåpning. Forutsatt en satellittåpning på 20 cm i 600 km høyde og 1 m teleskopåpning på bakken, kan det forventes ca. 75 dB nedkoblingstap, som er mindre enn tapet på 80 dB på bakkenivå. Jord-til-satellitt- eller satellitt-til-satellitt-implementeringer er mer komplekse.
kvanteminne
Fremtidig bruk av teleportering som en del av et skalerbart nettverk avhenger direkte av integrasjonen med kvanteminne. Sistnevnte skal ha et utmerket stråling-til-materie-grensesnitt når det gjelder konverteringseffektivitet, opptaks- og lesenøyaktighet, lagringstid og båndbredde, høy hastighet og lagringskapasitet. FørstI sin tur vil dette tillate bruk av releer for å utvide kommunikasjonen langt utover direkte overføring ved bruk av feilrettingskoder. Utviklingen av et godt kvanteminne vil tillate ikke bare å distribuere sammenfiltring over nettverket og teleporteringskommunikasjon, men også å behandle den lagrede informasjonen på en sammenhengende måte. Til syvende og sist kan dette gjøre nettverket til en glob alt distribuert kvantedatamaskin eller grunnlaget for et fremtidig kvanteinternett.
Loftende utvikling
Atomic-ensembler har tradisjonelt vært ansett som attraktive på grunn av deres effektive lys-til-materie-konvertering og deres millisekunders levetid, som kan være så høy som de 100 ms som trengs for å overføre lys på global skala. Imidlertid forventes mer lovende utviklinger i dag basert på halvledersystemer, hvor utmerket spin-ensemble kvanteminne er direkte integrert med den skalerbare QED-kretsarkitekturen. Dette minnet kan ikke bare forlenge koherenstiden til QED-kretsen, men også gi et optisk-mikrobølgegrensesnitt for interkonvertering av optiske-telekom- og brikkemikrobølgefotoner.
Dermed vil fremtidige oppdagelser av forskere innen kvanteinternett trolig være basert på langdistanse optisk kommunikasjon kombinert med halvledernoder for å behandle kvanteinformasjon.
