Teleportare cuantică: marile descoperiri ale fizicienilor

Teleportarea cuantică este unul dintre cele mai importante protocoale din informațiile cuantice. Bazat pe resursele fizice de entanglementare, acesta servește ca element principal al diferitelor sarcini de informare și este o parte importantă a tehnologiilor cuantice, jucând un rol-cheie în dezvoltarea în continuare a computerelor cuantice, a rețelelor și a comunicării.

De la ficțiune științifică la descoperirea oamenilor de știință

Acesta a fost de peste două decenii de la descoperirea teleportarii cuantice, care este, probabil, una dintre consecințele cele mai interesante și incitante de „ciudatenia“ a mecanicii cuantice. Înainte de realizarea acestor mari descoperiri, această idee aparținea domeniului științei fictive. inventat în 1931 de către Charles H. Fort Termenul „teleportarea“, deoarece a fost folosit pentru a descrie procesul prin care organismul și obiectele sunt transferate de la un loc la altul, nu este depășită într-adevăr distanța dintre ele.

În 1993, a fost publicat un articol care descrie protocolul de informații cuantice, numit "teleportare cuantică", care a împărtășit câteva dintre caracteristicile de mai sus. În ea, starea necunoscută a unui sistem fizic este măsurată și ulterior reprodusă sau "reasamblată" într-o locație îndepărtată (elementele fizice ale sistemului original rămân în locul transmiterii). Acest proces necesită mijloace clasice de comunicare și exclude comunicarea superluminală. Aceasta necesită o resursă de entanglementare. De fapt, teleportarea poate fi văzută ca un protocol al informațiilor cuantice, care demonstrează cel mai clar natura încurcării: fără prezența sa, o astfel de stare de transmisie nu ar fi posibilă în cadrul legilor care descriu mecanica cuantică.

Teleportarea joacă un rol activ în dezvoltarea științei informației. Pe de o parte, acesta este un protocol conceptual care joacă un rol decisiv în dezvoltarea unui cuant formal teoria informațiilor, iar pe de altă parte este o componentă fundamentală a multor tehnologii. Un repetor cuantic este un element-cheie al comunicării pe distanțe lungi. Teleportarea întrerupătoarelor cuantice, calcule bazate pe măsurători și rețele cuantice - toate sunt derivatele sale. Este, de asemenea, folosit ca un simplu instrument pentru studierea fizicii "extreme" legate de curbele de timp și de evaporare găuri negre.

Astăzi teleportarea cuantică a confirmat în laboratoarele din întreaga lume, folosind o varietate de substraturi și tehnologii, inclusiv qubitii fotonice, rezonanță magnetică nucleară, moduri optice, grupuri de atomi, atomii și sisteme semiconductoare prins în capcană. Rezultate remarcabile au fost obținute în domeniul teleportivității, fiind în curs de desfășurare experimente cu sateliți. În plus, încercările au început să scadă la sisteme mai complexe.

Teleportarea quibților

Teleportarea cuantică a fost descrisă pentru sistemele pe două nivele, așa-numitele qubits. Protocolul tratează două petreceri la distanță, numite Alice și Bob, care împart două qubite, A și B, într-o stare pur încurcată, numită și perechea de bluze. La intrarea lui Alice se dă un alt qubit, a cărui stare rho- este necunoscut. Apoi efectuează o măsurare cuantică comună, numită descoperirea Bell. Transferă a și A la una dintre cele patru state ale lui Bell. Ca rezultat, starea qubit-ului de intrare al lui Alice în timpul măsurării dispare și cubul Bob B este proiectat simultan pe P^dagger-_krho-P_k. În ultima etapă a protocolului, Alice transmite rezultatul clasic al măsurătorilor ei lui Bob, care folosește operatorul Pauli P_k pentru a restabili originalul Rho.

Starea inițială a qubit-ului Alice este considerată necunoscută, deoarece altfel protocolul este redus la măsurarea la distanță. În plus, el însuși poate face parte dintr-un sistem compozit mai mare, împărțit cu o terță parte (caz în care teleportarea reușită necesită reproducerea tuturor corelațiilor cu această terță parte).

Un experiment tipic privind teleportarea cuantică presupune că starea originală este pură și aparține unui alfabet limitat, de exemplu, șase poli ai sferei Bloch. În prezența decoherence, calitatea stării reconstruite poate fi exprimată cantitativ prin precizia de teleportare F isin- [0, 1]. Aceasta este precizia dintre stările lui Alice și Bob, în ​​medie, pe baza tuturor rezultatelor detectării lui Bell și a alfabetului original. Pentru valori mici de acuratețe, există metode care vă permit să efectuați teleportare imperfectă fără a utiliza o resursă complicată. De exemplu, Alice poate măsura direct starea ei inițială prin trimiterea rezultatelor către Bob pentru a pregăti starea rezultantă. Această strategie de măsurare-pregătire se numește "teleportare clasică". Are precizia maximă F_clasă = 2/3 pentru o stare de intrare arbitrară, care este echivalentă cu alfabetul stărilor imparțiale reciproc, cum ar fi cele șase poli ale sferei Bloch.

Astfel, o indicație clară a utilizării resurselor cuantice este valoarea de precizie F> F_clasă.

Nu este un qubit de un singur

Ca și fizica cuantică, teleportarea nu se limitează la qubits, ci poate include și sisteme multidimensionale. Pentru fiecare măsurare finită d, putem formula o schemă ideală de teleportare utilizând baza vectorilor de stare cei mai încurcați, care pot fi obținuți din starea maximă confuză dată și baza {U_k} de operatori unitari care îndeplinesc tr (U^dagger-_j U_k) = ddelta-_{j, k}. Un astfel de protocol poate fi construit pentru orice spațiu Hilbert de dimensiuni finite, așa-numitele. sisteme discrete-variabile.

În plus, teleportarea cuantică se poate extinde și la sistemele cu un spațiu Hilbert de dimensiuni infinit, numite sisteme variabile continuu. De regulă, ele sunt realizate prin moduri optice bosonice, ale căror câmpuri electrice pot fi descrise de operatori de tip quadrature.

Viteza și principiul incertitudinii

Care este viteza teleportării cuantice? Informațiile sunt transmise la o viteză similară cu rata de transmisie a aceleiași cantități de clasic - posibil cu viteza luminii. Teoretic, acesta poate fi folosit într-un mod care clasicul nu poate - de exemplu, în calculul cuantic, unde datele sunt disponibile numai destinatarului.

Are o teleportare cuantică încălcată principiul incertitudinii? În trecut, ideea de teleportare nu este într-adevăr luată în serios de către oamenii de știință, pentru că se credea că încalcă principiul interzicerii oricărui proces de măsurare sau de scanare pentru a extrage toate informațiile atomul sau alt obiect. În conformitate cu principiul de incertitudine, mai precis obiectul este scanat, cu atât mai mult este influențată de procesul de scanare până când se ajunge la un punct în cazul în care starea originală a obiectului deranjat într-o asemenea măsură, încât mai mult nu se poate obține informații suficiente pentru a crea o replica. Acest lucru pare convingător: dacă o persoană nu poate extrage informații de la obiect pentru a crea o copie ideală, atunci aceasta nu poate fi făcută.

Teleportare cuantică pentru manechine

Dar șase oameni de știință (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jos, Asher Peres, și William Wouters) a găsit o cale în jurul valorii de această logică, folosind o caracteristică celebru și paradoxală a mecanicii cuantice cunoscute sub numele de Einstein-EPR. Ei au găsit o modalitate de a scana informații teleported obiectul A, iar porțiunea rămasă netestat, prin efectul de transfer a altor obiecte în contact cu A nu respecta.

În viitor, prin aplicarea unui impact asupra C în funcție de informațiile scanate, puteți introduce C în starea A înainte de scanare. Un sine nu mai este în această stare, deoarece este complet modificat de procesul de scanare, astfel încât rezultatul este teleportarea și nu replicarea.

Lupta pentru gamă

• Prima teleportare cuantică a fost efectuată în 1997 aproape simultan de oamenii de știință de la Universitatea din Innsbruck și de la Universitatea din Roma. În timpul experimentului, fotonul inițial cu polarizare și unul din perechea de fotoni încurcați a suferit o schimbare în așa fel încât cel de-al doilea foton să primească polarizarea fotonului original. În același timp, ambii fotoni se aflau la o distanță una de cealaltă.
• În 2012, o altă teleportare cuantică (China, Universitatea de Știință și Tehnologie) a avut loc printr-un lac de înaltă altitudine, la o distanță de 97 km. O echipă de oameni de știință din Shanghai, condusă de Juan Yin, a reușit să dezvolte un mecanism sugestiv care să permită orientarea precisă a fasciculului.
• În septembrie, un teleportarea cuantica record de la 143 km a fost realizat în același an. oamenii de știință austrieci de la Academia de Științe a Austriei și Universitatea din Viena, sub conducerea lui Anton Zeilinger a transmis cu succes stări cuantice între cele două Insulele Canare La Palma și Tenerife. Experimentul a folosit două linii de comunicații optice în deschise, kvantumnaya și, frecvența de polarizare necorelat încâlcită pereche clasica de surse fotoni, sverhnizkoshumnye detectoare de un singur foton și ceas de sincronizare a ambreiajului.
• În 2015, cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie americană au transmis pentru prima dată informații pe o distanță de peste 100 km cu fibră. Acest lucru a fost posibil prin detectoarele cu un singur foton create la institut, folosind nanofire superconductoare din silicid de molibden.

Este clar că nu există încă un sistem sau o tehnologie cuantică ideală și că marile descoperiri ale viitorului se află înaintea noastră. Cu toate acestea, se poate încerca identificarea posibilelor candidați în aplicații de teleportare specifice. Hibridizarea adecvată, oferind o bază și metode compatibile, poate oferi viitorul cel mai promițător pentru teleportare cuantică și aplicațiile sale.

Distante scurte

Teleportarea pentru distanțe scurte (până la 1 m) ca subsistem de calcul cuantic este promițătoare pentru dispozitivele semiconductoare, cel mai bun dintre acestea fiind schema QED. În special, qubit-urile transcononale superconductoare pot garanta teleportare deterministică și de înaltă precizie pe un cip. Ele permit, de asemenea, hrănirea directă în timp real, care pare a fi problematică în cazul chipsurilor fotonice. În plus, ele oferă o arhitectură mai scalabilă și o mai bună integrare a tehnologiilor existente în comparație cu abordările anterioare, cum ar fi ionii capturați. În prezent, singurul dezavantaj al acestor sisteme pare să fie timpul lor de coerență limitat (<100 μs). Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea de integrare QED cu circuite semiconductoare de spin celule de memorie (ansamblu de azot substituit cu posturi vacante sau cristale dopate cu elemente de pământuri rare), care pot oferi o perioadă lungă de coerență pentru cuantumul de stocare a datelor. În prezent, această implementare este subiectul multor eforturi depuse de comunitatea științifică.

Comunicarea orașului

Comunicarea teleportată pe o scară a orașului (câțiva kilometri) ar putea fi dezvoltată utilizând modurile optice. Cu pierderi suficient de mici, aceste sisteme oferă viteze mari și lățime de bandă. Acestea pot fi extinse de la implementări de desktop la sisteme cu rază medie de acțiune care funcționează prin eter sau fibră, cu o posibilă integrare cu memoria cuantică a ansamblului. Distanțele mai lungi, dar cu viteze mai scăzute, pot fi realizate utilizând o abordare hibridă sau prin dezvoltarea unor repetoare bune bazate pe procese non-Gaussian.

Comunicații pe distanțe lungi

Teleportarea cuantică pe distanțe lungi (mai mult de 100 km) este o zonă activă, dar încă suferă de o problemă deschisă. Cuburile de polarizare sunt cei mai buni purtători pentru teleportare la viteze reduse pe liniile lungi de comunicare cu fibră optică și peste aer, dar în prezent protocolul este probabilist datorită detectării incomplete a lui Bell.

Deși teleportarea probabilistă și entanglementul sunt acceptabile pentru sarcini precum distilarea entanglementului și criptografia cuantică, aceasta este în mod clar diferită de comunicarea în care informațiile de intrare ar trebui să fie pe deplin conservate.

Dacă luăm acest caracter probabilistic, implementările prin satelit sunt la îndemâna tehnologiilor moderne. În plus față de integrarea metodelor de urmărire, principala problemă o reprezintă pierderile mari cauzate de răspândirea fasciculului. Acest lucru poate fi depășit într-o configurație în care împrăștierea este distribuită de la satelit la telescoapele terestre cu o mare deschidere. Presupunând deschidere prin satelit de 20 cm la 600 km inaltime si 1 m telescop deschidere pe sol, se poate aștepta la aproximativ 75 dB de pierdere într-un canal pe legătură în jos care este mai mică de 80 dB pierdere la nivelul solului. Realizările "satelitului pământ" sau "satelit-satelit" sunt mai complicate.

Memoria cuantică

Utilizarea viitoare a teleportare ca parte integrantă a unei rețele scalabile depinde direct de integrarea sa în memoria cuantică. Acestea din urmă ar trebui să aibă o interfață excelentă pentru radiații, în ceea ce privește eficiența conversiei, precizia înregistrării și citirii, timpul de stocare și lățimea de bandă, viteza mare și capacitatea de stocare. În primul rând, acest lucru va permite utilizarea repeaterilor pentru a extinde comunicarea cu mult peste transmisia directă folosind codurile de corectare a erorilor. Dezvoltarea unei memorii cuantice bune ar permite nu numai distribuirea comunicării în rețea și teleportare, ci și prelucrarea coerentă a informațiilor stocate. În cele din urmă, acest lucru poate transforma rețeaua într-o rețea la nivel mondial cuantic calculator sau baza pentru viitorul internetului cuantic.

Perspective evoluții

ansambluri nucleare considerate în mod tradițional atractive datorită transformării lor eficiente a „materiei-lumină“ și perioadele lor milisecunda de stocare, care poate fi de până la 100 ms necesare pentru a transmite lumina la nivel global. Cu toate acestea, evoluțiile mai avansate sunt acum de așteptat pe baza sistemelor de semiconductoare, în cazul în care de spin excelent ansamblu de memorie cuantice sunt integrate direct cu arhitectura scalabilă a circuitului QED. Această memorie nu numai că poate extinde timpul de coerență al circuitului QED, dar oferă și o interfață cu microunde cu optică pentru interconversia fotonilor cu microunde optice și telecomunicații.

Astfel, descoperirile viitoare ale oamenilor de știință din domeniul Internetului cuantic se vor baza probabil pe cuplarea optică pe distanțe lungi, cuplată cu noduri semiconductoare pentru prelucrarea informațiilor cuantice.