Kvanttiteleportaatio on yksi kvanttitiedon tärkeimmistä protokollista. Kietoutumisen fyysisen resurssin perusteella se toimii erilaisten tietotehtävien pääelementtinä ja on tärkeä osa kvanttiteknologioita ja sillä on keskeinen rooli kvanttilaskennan, verkkojen ja viestinnän jatkokehityksessä.
Scifistä tiedemiesten löytöihin
Kvanttiteleportaation keksimisestä on kulunut yli kaksi vuosikymmentä. Kvanttiteleportaatio on ehkä yksi mielenkiintoisimmista ja jännittävimmistä kvanttimekaniikan "outollisuuden" seurauksista. Ennen kuin nämä suuret löydöt tehtiin, tämä ajatus kuului tieteiskirjallisuuden piiriin. Charles H. Fortin vuonna 1931 keksimä termi "teleportaatio" on sittemmin käytetty viittaamaan prosessiin, jolla ruumiit ja esineet siirretään paikasta toiseen ilman, että niiden välinen etäisyys kulkisi.
Vuonna 1993 julkaistiin artikkeli, jossa kuvattiin kvanttitietoprotokollaa, ns."kvanttiteleportaatio", jolla oli useita yllä lueteltuja ominaisuuksia. Siinä fyysisen järjestelmän tuntematon tila mitataan ja sen jälkeen toistetaan tai "kootaan uudelleen" etäpaikassa (alkuperäisen järjestelmän fyysiset elementit jäävät lähetyspaikkaan). Tämä prosessi vaatii klassisia viestintävälineitä ja sulkee pois FTL-viestinnän. Se tarvitsee sotkeutumisresurssin. Itse asiassa teleportaatio voidaan nähdä kvanttitietoprotokollana, joka selkeimmin osoittaa sotkeutumisen luonteen: ilman sen läsnäoloa tällainen lähetystila ei olisi mahdollista kvanttimekaniikkaa kuvaavien lakien puitteissa.
Teleportaatiolla on aktiivinen rooli tietotieteen kehityksessä. Toisa alta se on käsitteellinen protokolla, jolla on ratkaiseva rooli muodollisen kvanttitietoteorian kehittämisessä, ja toisa alta se on monien teknologioiden peruskomponentti. Kvanttitoistin on keskeinen elementti viestinnässä pitkiä matkoja. Kvanttikytkinteleportaatio, ulottuvuuspohjainen laskenta ja kvanttiverkot ovat kaikki sen johdannaisia. Sitä käytetään myös yksinkertaisena työkaluna aikakäyrien ja mustien aukkojen haihtumisen "äärimmäisen" fysiikan tutkimiseen.
Nykyään kvanttiteleportaatio on vahvistettu laboratorioissa ympäri maailmaa käyttämällä monia erilaisia substraatteja ja tekniikoita, mukaan lukien fotoniset kubitit, ydinmagneettinen resonanssi, optiset tilat, atomiryhmät, loukkuun jääneet atomit japuolijohdejärjestelmät. Teleportaation alueella on saavutettu erinomaisia tuloksia, kokeita satelliiteilla on tulossa. Lisäksi yrityksiä on alettu skaalata monimutkaisempiin järjestelmiin.
Kubittien teleportointi
Kvanttiteleportaatio kuvattiin ensin kaksitasoisille järjestelmille, niin kutsutuille kubiteille. Pöytäkirja käsittelee kahta etäistä osapuolta, Alicea ja Bobia, jotka jakavat 2 kubittia, A ja B, puhtaasti sotkeutuneessa tilassa, jota kutsutaan myös Bell-pariksi. Syöttössä Alicelle annetaan toinen qubit a, jonka tila ρ on tuntematon. Sitten hän suorittaa yhteisen kvanttimittauksen, jota kutsutaan Bell-detektioksi. Se vie a:n ja A:n yhteen neljästä Bellin tilasta. Tämän seurauksena Liisen tulokubitin tila katoaa mittauksen aikana, ja Bobin B-kubitti projisoidaan samanaikaisesti Р†kρP k. Protokollan viimeisessä vaiheessa Alice lähettää klassisen mittauksensa tuloksen Bobille, joka palauttaa alkuperäisen ρ. Pauli-operaattorilla Pk
Alicen kubitin alkutilaa pidetään tuntemattomana, koska muuten protokolla pelkistyy etämittaukseensa. Vaihtoehtoisesti se voi itse olla osa suurempaa yhdistelmäjärjestelmää, joka jaetaan kolmannen osapuolen kanssa (jolloin onnistunut teleportaatio edellyttää kaikkien korrelaatioiden toistamista kyseisen kolmannen osapuolen kanssa).
Tyypillinen kvanttiteleportaatiokoe olettaa, että alkutila on puhdas ja kuuluu rajoitettuun aakkostoon,esimerkiksi Bloch-pallon kuusi napaa. Dekoherenssin esiintyessä rekonstruoidun tilan laatu voidaan kvantifioida teleportaation tarkkuudella F ∈ [0, 1]. Tämä on Liisen ja Bobin tilojen välinen tarkkuus, joka lasketaan keskiarvosta kaikista Bell-tunnistustuloksista ja alkuperäisestä aakkosesta. Alhaisilla tarkkuusarvoilla on olemassa menetelmiä, jotka mahdollistavat epätäydellisen teleportaation ilman hämärää resurssia. Liisa voi esimerkiksi mitata suoraan alkutilansa lähettämällä tulokset Bobille valmistelemaan tuloksena olevan tilan. Tätä mittaus-valmistelustrategiaa kutsutaan "klassiseksi teleportaatioksi". Sen maksimitarkkuus on Fclass=2/3 mieliv altaiselle syöttötilalle, mikä vastaa toistensa puolueettomien tilojen aakkostoa, kuten Bloch-pallon kuusi napaa.
Siten selkeä osoitus kvanttiresurssien käytöstä on tarkkuusarvo F> Fclass.
Ei ainuttakaan qubittiä
Kvanttifysiikan mukaan teleportaatio ei rajoitu kubitteihin, se voi sisältää moniulotteisia järjestelmiä. Jokaiselle äärelliselle ulottuvuudelle d voidaan muotoilla ihanteellinen teleportaatiokaavio käyttämällä maksimaalisesti kietoutuneiden tilavektoreiden kantaa, joka voidaan saada annetusta maksimaalisesti kietoutuneesta tilasta ja kantasta {Uk} unitaarioperaattorit, jotka täyttävät tr(U †j Uk)=dδj, k . Tällainen protokolla voidaan rakentaa mille tahansa äärellisulotteiselle Hilbertilletilat ns. diskreetit muuttujajärjestelmät.
Lisäksi kvanttiteleportaatio voidaan laajentaa myös järjestelmiin, joissa on äärettömän ulottuvuuden Hilbert-avaruus, joita kutsutaan jatkuvamuuttujajärjestelmiksi. Pääsääntöisesti ne toteutetaan optisilla bosonisilla moodeilla, joiden sähkökenttä voidaan kuvata kvadratuurioperaattoreilla.
Nopeus ja epävarmuusperiaate
Mikä on kvanttiteleportaation nopeus? Tieto välittyy nopeudella, joka on samanlainen kuin sama määrä klassista lähetystä - ehkä valon nopeudella. Teoreettisesti sitä voidaan käyttää tavoilla, joita klassinen ei voi käyttää - esimerkiksi kvanttilaskennassa, jossa data on vain vastaanottajan käytettävissä.
Rikkooko kvanttiteleportaatio epävarmuusperiaatetta? Aiemmin tiedemiehet eivät ottaneet ajatusta teleportaatiosta kovin vakavasti, koska sen uskottiin rikkovan periaatetta, jonka mukaan mittaus- tai skannausprosessi ei poista kaikkea atomin tai muun kohteen tietoa. Epävarmuusperiaatteen mukaan mitä tarkemmin kohde skannataan, sitä enemmän skannausprosessi vaikuttaa siihen, kunnes saavutetaan piste, jossa kohteen alkuperäinen tila on rikottu siinä määrin, että sitä ei ole enää mahdollista saada. tarpeeksi tietoa tarkan kopion luomiseksi. Tämä kuulostaa vakuuttav alta: jos henkilö ei pysty poimimaan tietoa kohteesta täydellisen kopion luomiseksi, viimeistä ei voida tehdä.
Kvanttiteleportaatio nukkeille
Mutta kuusi tiedemiestä (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez ja William Wuthers) löysi tien kiertää tämä logiikka käyttämällä kvanttimekaniikan kuuluisaa ja paradoksaalista ominaisuutta, joka tunnetaan nimellä Einstein-Podolsky- Rosen-efekti. He löysivät tavan skannata osa teleportoidun kohteen A tiedoista ja siirtää loput vahvistamattomasta osasta mainitun tehosteen kautta toiseen objektiin C, joka ei ole koskaan ollut kosketuksissa A:n kanssa.
Lisäksi soveltamalla C:hen vaikutusta, joka riippuu skannatuista tiedoista, voit asettaa C:n tilaan A ennen skannausta. Itse A ei ole enää samassa tilassa, koska se on muuttunut täysin skannausprosessin myötä, joten saavutettu on teleportaatio, ei replikointi.
Taistele valikoimasta
- Ensimmäisen kvanttiteleportaation suorittivat vuonna 1997 lähes samanaikaisesti tutkijat Innsbruckin yliopistosta ja Rooman yliopistosta. Kokeen aikana alkuperäinen fotoni, jolla on polarisaatio, ja yksi kietoutuneista fotoneista muutettiin siten, että toinen fotoni sai alkuperäisen polarisaation. Tässä tapauksessa molemmat fotonit olivat etäisyyden päässä toisistaan.
- Vuonna 2012 tapahtui toinen kvanttiteleportaatio (Kiina, University of Science and Technology) korkean vuoristojärven läpi 97 km:n etäisyydellä. Huang Yinin johtama shanghailainen tiedemiesryhmä onnistui kehittämään kohdistusmekanismin, joka mahdollisti säteen tarkan kohdistamisen.
- Saman vuoden syyskuussa suoritettiin ennätysmäärä 143 km:n kvanttiteleportaatio. Itäv altalaiset tiedemiehet Itävallan tiedeakatemiasta ja yliopistostaAnton Zeilingerin johtama Wien siirsi onnistuneesti kvanttitilat kahden Kanarian saaren La Palman ja Teneriffan välillä. Kokeessa käytettiin kahta optista viestintälinjaa avoimessa avaruudessa, kvantti- ja klassinen, taajuuskorreloimaton polarisaatio kietoutunut lähdefotonipari, ultramatalakohinainen yksifotoni-ilmaisimia ja kytketyn kellon synkronointi.
- Vuonna 2015 Yhdysv altain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin tutkijat välittivät ensimmäistä kertaa tietoa yli 100 kilometrin etäisyydeltä optisen kuidun kautta. Tämä tuli mahdolliseksi instituutissa luotujen yksifotonisten ilmaisimien ansiosta, joissa käytettiin molybdeenisilikidistä valmistettuja suprajohtavia nanolankoja.
On selvää, että ihanteellista kvanttijärjestelmää tai teknologiaa ei vielä ole olemassa ja tulevaisuuden suuret löydöt ovat vielä edessä. Siitä huolimatta voidaan yrittää tunnistaa mahdollisia ehdokkaita tietyissä teleportaation sovelluksissa. Näiden sopiva hybridisaatio yhteensopivan kehyksen ja menetelmien ansiosta voisi tarjota lupaavimman tulevaisuuden kvanttiteleportaatiolle ja sen sovelluksille.
Lyhyt matkat
Teleportaatio lyhyillä etäisyyksillä (jopa 1 m) kvanttilaskenta-alijärjestelmänä on lupaavaa puolijohdelaitteisiin, joista paras on QED-järjestelmä. Erityisesti suprajohtavat transmonkubitit voivat taata deterministisen ja erittäin tarkan teleportaation sirulla. Ne mahdollistavat myös reaaliaikaisen suorasyötön, mikänäyttää ongelmalliselta fotonisilla siruilla. Lisäksi ne tarjoavat skaalautuvamman arkkitehtuurin ja paremman integroinnin olemassa oleviin teknologioihin verrattuna aikaisempiin lähestymistapoihin, kuten loukkuun jääneisiin ioneihin. Tällä hetkellä näiden järjestelmien ainoa haittapuoli näyttää olevan niiden rajallinen koherenssiaika (<100 µs). Tämä ongelma voidaan ratkaista integroimalla QED-piiri puolijohteiden spin-ensemble-muistisoluihin (jossa on typellä substituoituja tyhjiä paikkoja tai harvinaisten maametallien seostettuja kiteitä), mikä voi tarjota pitkän koherenssiajan kvanttidatan tallennukseen. Tämä toteutus on tällä hetkellä tiedeyhteisön paljon vaivaa.
Kaupunkiviestintä
Kaupunkitason (useita kilometrejä) teleportaatioviestintää voitaisiin kehittää käyttämällä optisia tiloja. Riittävän pienillä häviöillä nämä järjestelmät tarjoavat suuria nopeuksia ja kaistanleveyttä. Niitä voidaan laajentaa työpöytätoteutuksista keskipitkän kantaman järjestelmiin, jotka toimivat ilman tai kuitujen kautta, ja ne voidaan integroida ensemble-kvanttimuistiin. Pitemmät etäisyydet mutta pienemmät nopeudet voidaan saavuttaa hybridilähestymistavalla tai kehittämällä hyviä toistimia ei-Gaussin prosesseihin perustuen.
Kaukoviestintä
Pitkän matkan kvanttiteleportaatio (yli 100 km) on aktiivinen alue, mutta kärsii edelleen avoimesta ongelmasta. Polarisaatiokubitit -parhaat kantoaallot hitaan teleportaatioon pitkien kuitulinkkien ja ilmassa, mutta protokolla on tällä hetkellä todennäköisyys epätäydellisen Bell-tunnistuksen vuoksi.
Vaikka todennäköisyyspohjainen teleportaatio ja sotkeutumiset ovat hyväksyttäviä ongelmissa, kuten sotkeutumistislaus ja kvanttisalaus, tämä eroaa selvästi viestinnästä, jossa syöte on säilytettävä täysin.
Jos hyväksymme tämän todennäköisyyden, satelliittitoteutukset ovat modernin tekniikan ulottuvilla. Seurantamenetelmien integroinnin lisäksi suurin ongelma on säteen leviämisen aiheuttamat suuret häviöt. Tämä voidaan voittaa kokoonpanossa, jossa sotkeutuminen jaetaan satelliitista suuriaukkoisiin maanpäällisiin teleskooppeihin. Olettaen, että satelliitin aukko on 20 cm 600 km:n korkeudessa ja 1 metrin kaukoputken aukko maassa, laskevan siirtotien häviö on noin 75 dB, mikä on vähemmän kuin 80 dB:n häviö maanpinnalla. Maasta satelliittiin tai satelliitista satelliittiin toteutukset ovat monimutkaisempia.
Kvanttimuisti
Teleportaation tuleva käyttö osana skaalautuvaa verkkoa riippuu suoraan sen integroinnista kvanttimuistiin. Jälkimmäisessä pitäisi olla erinomainen säteily-aine-liitäntä muunnostehokkuuden, tallennus- ja lukutarkkuuden, tallennusajan ja kaistanleveyden, suuren nopeuden ja tallennuskapasiteetin suhteen. EnsimmäinenTämä puolestaan mahdollistaa releiden käytön laajentamaan viestintää paljon suoraa lähetystä pidemmälle käyttämällä virheenkorjauskoodeja. Hyvän kvanttimuistin kehittäminen mahdollistaisi kietoutumisen jakamisen verkon yli ja teleportaatioviestinnän, vaan myös tallennetun tiedon käsittelyn yhtenäisellä tavalla. Viime kädessä tämä voisi tehdä verkosta maailmanlaajuisesti hajautetun kvanttitietokoneen tai perustan tulevalle kvantti-internetille.
Lupaava kehitys
Atomic-kokonaisuuksia on perinteisesti pidetty houkuttelevina niiden tehokkaan valon aineeksi muuntamisen ja millisekunnin käyttöiän vuoksi, joka voi olla jopa 100 ms, joka tarvitaan valon lähettämiseen maailmanlaajuisesti. Nykyään odotetaan kuitenkin lupaavampaa kehitystä puolijohdejärjestelmissä, joissa erinomainen spin-ensemble-kvanttimuisti on integroitu suoraan skaalautuvaan QED-piiriarkkitehtuuriin. Tämä muisti ei voi vain pidentää QED-piirin koherenssiaikaa, vaan se tarjoaa myös optisen mikroa altorajapinnan optisten telekommunikaatioiden ja sirumikroa altofotonien muuntamiseen.
Siten tutkijoiden tulevat löydöt kvantti-internetin alalla perustuvat todennäköisesti pitkän kantaman optiseen viestintään yhdistettynä puolijohdesolmuihin kvanttiinformaation käsittelemiseksi.
