Teleportasi kuantum ialah salah satu protokol terpenting dalam maklumat kuantum. Berdasarkan sumber fizikal jalinan, ia berfungsi sebagai elemen utama pelbagai tugas maklumat dan merupakan komponen penting dalam teknologi kuantum, memainkan peranan penting dalam pembangunan selanjutnya pengkomputeran kuantum, rangkaian dan komunikasi.
Dari fiksyen sains hingga penemuan saintis
Sudah lebih dua dekad sejak penemuan teleportasi kuantum, yang mungkin merupakan salah satu akibat yang paling menarik dan menarik daripada "keanehan" mekanik kuantum. Sebelum penemuan hebat ini dibuat, idea ini tergolong dalam bidang fiksyen sains. Pertama kali dicipta pada tahun 1931 oleh Charles H. Fort, istilah "teleportasi" sejak itu telah digunakan untuk merujuk kepada proses di mana jasad dan objek dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain tanpa benar-benar menempuh jarak antara mereka.
Pada tahun 1993, sebuah artikel telah diterbitkan yang menerangkan protokol maklumat kuantum, yang dipanggil"teleportasi kuantum", yang berkongsi beberapa ciri yang disenaraikan di atas. Di dalamnya, keadaan sistem fizikal yang tidak diketahui diukur dan kemudiannya dihasilkan semula atau "dipasang semula" di lokasi terpencil (elemen fizikal sistem asal kekal di tapak penghantaran). Proses ini memerlukan cara komunikasi klasik dan tidak termasuk komunikasi FTL. Ia memerlukan sumber keterjeratan. Malah, teleportasi boleh dilihat sebagai protokol maklumat kuantum yang paling jelas menunjukkan sifat keterikatan: tanpa kehadirannya, keadaan penghantaran sedemikian tidak mungkin berlaku dalam rangka kerja undang-undang yang menerangkan mekanik kuantum.
Teleportasi memainkan peranan aktif dalam pembangunan sains maklumat. Di satu pihak, ia adalah protokol konseptual yang memainkan peranan penting dalam pembangunan teori maklumat kuantum formal, dan sebaliknya, ia merupakan komponen asas bagi banyak teknologi. Pengulang kuantum ialah elemen utama komunikasi dalam jarak jauh. Teleportasi suis kuantum, pengkomputeran berasaskan dimensi, dan rangkaian kuantum semuanya adalah terbitan daripadanya. Ia juga digunakan sebagai alat mudah untuk mempelajari fizik "melampau" mengenai lengkung masa dan penyejatan lubang hitam.
Hari ini, teleportasi kuantum telah disahkan di makmal di seluruh dunia menggunakan banyak substrat dan teknologi yang berbeza, termasuk qubit fotonik, resonans magnetik nuklear, mod optik, kumpulan atom, atom terperangkap dansistem semikonduktor. Keputusan cemerlang telah dicapai dalam bidang jarak teleportasi, percubaan dengan satelit akan datang. Selain itu, percubaan telah mula ditingkatkan kepada sistem yang lebih kompleks.
Teleportasi qubit
Teleportasi kuantum pertama kali diterangkan untuk sistem dua peringkat, yang dipanggil qubit. Protokol mempertimbangkan dua pihak yang jauh, dipanggil Alice dan Bob, yang berkongsi 2 qubit, A dan B, dalam keadaan terikat tulen, juga dipanggil pasangan Loceng. Pada input, Alice diberi qubit a lagi, yang keadaannya ρ tidak diketahui. Dia kemudian melakukan pengukuran kuantum bersama yang dipanggil pengesanan Bell. Ia mengambil masa a dan A untuk satu daripada empat keadaan Bell. Akibatnya, keadaan qubit input Alice hilang semasa pengukuran dan qubit B Bob secara serentak diunjurkan ke Р†kρP k. Pada peringkat terakhir protokol, Alice menghantar hasil pengukuran klasiknya kepada Bob, yang menggunakan pengendali Pauli Pk untuk memulihkan ρ. yang asal
Keadaan awal qubit Alice dianggap tidak diketahui, kerana jika tidak, protokol dikurangkan kepada ukuran jauhnya. Sebagai alternatif, ia sendiri mungkin merupakan sebahagian daripada sistem komposit yang lebih besar yang dikongsi dengan pihak ketiga (dalam hal ini, teleportasi yang berjaya memerlukan menghasilkan semula semua korelasi dengan pihak ketiga tersebut).
Percubaan teleportasi kuantum biasa menganggap keadaan awal adalah tulen dan tergolong dalam abjad terhad,contohnya, enam kutub sfera Bloch. Dengan adanya dekoheren, kualiti keadaan yang dibina semula boleh dikira dengan ketepatan teleportasi F ∈ [0, 1]. Ini ialah ketepatan antara keadaan Alice dan Bob, dipuratakan pada semua hasil pengesanan Loceng dan abjad asal. Pada nilai ketepatan yang rendah, terdapat kaedah yang membenarkan teleportasi yang tidak sempurna tanpa menggunakan sumber yang dikelirukan. Contohnya, Alice boleh mengukur secara langsung keadaan awalnya dengan menghantar keputusan kepada Bob untuk menyediakan keadaan yang terhasil. Strategi penyediaan ukuran ini dipanggil "teleportasi klasik". Ia mempunyai ketepatan maksimum Fclass=2/3 untuk keadaan input sewenang-wenangnya, yang bersamaan dengan abjad keadaan saling tidak berat sebelah, seperti enam kutub sfera Bloch.
Oleh itu, petunjuk jelas tentang penggunaan sumber kuantum ialah nilai ketepatan F> Fkelas.
Tiada satu qubit
Menurut fizik kuantum, teleportasi tidak terhad kepada qubit, ia boleh merangkumi sistem multidimensi. Untuk setiap dimensi terhingga d, seseorang boleh merumuskan skema teleportasi yang ideal menggunakan asas vektor keadaan terjerat maksimum, yang boleh diperoleh daripada keadaan terjerat maksimum yang diberikan dan asas {Uk} daripada pengendali unitari yang memuaskan tr(U †j Uk)=dδj, k . Protokol sedemikian boleh dibina untuk mana-mana Hilbert dimensi terhinggaruang yang dipanggil. sistem pembolehubah diskret.
Selain itu, teleportasi kuantum juga boleh diperluaskan kepada sistem dengan ruang Hilbert dimensi tak terhingga, yang dipanggil sistem pembolehubah berterusan. Sebagai peraturan, ia direalisasikan oleh mod boson optik, yang medan elektriknya boleh diterangkan oleh pengendali kuadratur.
Prinsip kelajuan dan ketidakpastian
Apakah kelajuan teleportasi kuantum? Maklumat dihantar pada kelajuan yang serupa dengan jumlah penghantaran klasik yang sama - mungkin pada kelajuan cahaya. Secara teorinya, ia boleh digunakan dengan cara yang tidak boleh digunakan oleh yang klasik - contohnya, dalam pengkomputeran kuantum, di mana data hanya tersedia kepada penerima.
Adakah teleportasi kuantum melanggar prinsip ketidakpastian? Pada masa lalu, idea teleportasi tidak dipandang serius oleh saintis kerana dianggap melanggar prinsip bahawa sebarang proses pengukuran atau pengimbasan tidak akan mengeluarkan semua maklumat atom atau objek lain. Mengikut prinsip ketidakpastian, lebih tepat sesuatu objek diimbas, lebih banyak ia dipengaruhi oleh proses pengimbasan, sehingga mencapai titik di mana keadaan asal objek dilanggar sehingga ke tahap yang tidak mungkin diperolehi lagi. maklumat yang mencukupi untuk mencipta salinan yang tepat. Ini terdengar meyakinkan: jika seseorang tidak dapat mengekstrak maklumat daripada objek untuk mencipta salinan yang sempurna, maka yang terakhir tidak boleh dibuat.
Teleportasi kuantum untuk boneka
Tetapi enam saintis (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez dan William Wuthers) menemui jalan mengatasi logik ini dengan menggunakan ciri mekanik kuantum yang terkenal dan paradoks yang dikenali sebagai Einstein-Podolsky- Kesan Rosen. Mereka menemui cara untuk mengimbas sebahagian daripada maklumat objek yang diteleportasikan A dan memindahkan bahagian lain yang tidak disahkan melalui kesan yang disebutkan ke objek C lain, yang tidak pernah bersentuhan dengan A.
Selanjutnya, dengan menggunakan pengaruh C yang bergantung pada maklumat yang diimbas, anda boleh meletakkan C ke dalam keadaan A sebelum mengimbas. A sendiri tidak lagi dalam keadaan yang sama, kerana ia telah diubah sepenuhnya oleh proses pengimbasan, jadi apa yang telah dicapai ialah teleportasi, bukan replikasi.
Perjuangan untuk julat
- Teleportasi kuantum pertama telah dijalankan pada tahun 1997 hampir serentak oleh saintis dari Universiti Innsbruck dan Universiti Rom. Semasa eksperimen, foton asal, yang mempunyai polarisasi, dan salah satu daripada pasangan foton terjerat, telah diubah sedemikian rupa sehingga foton kedua menerima polarisasi yang asal. Dalam kes ini, kedua-dua foton berada pada jarak antara satu sama lain.
- Pada tahun 2012 satu lagi teleportasi kuantum telah berlaku (China, Universiti Sains dan Teknologi) melalui tasik gunung tinggi pada jarak 97 km. Pasukan saintis dari Shanghai, diketuai oleh Huang Yin, berjaya membangunkan mekanisme homing yang memungkinkan untuk membidik pancaran dengan tepat.
- Pada bulan September tahun yang sama, teleportasi kuantum rekod sejauh 143 km telah dijalankan. Saintis Austria dari Akademi Sains Austria dan UniversitiVienna, diketuai oleh Anton Zeilinger, berjaya memindahkan keadaan kuantum antara dua Kepulauan Canary La Palma dan Tenerife. Percubaan menggunakan dua talian komunikasi optik dalam ruang terbuka, kuantum dan klasik, polarisasi frekuensi tidak berkorelasi yang menjerat pasangan foton sumber, pengesan foton tunggal hingar sangat rendah dan penyegerakan jam berganding.
- Pada 2015, penyelidik dari Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan AS buat pertama kalinya menghantar maklumat pada jarak lebih 100 km melalui gentian optik. Ini menjadi mungkin terima kasih kepada pengesan foton tunggal yang dicipta di institut, menggunakan wayar nano superkonduktor yang diperbuat daripada silisid molibdenum.
Adalah jelas bahawa sistem atau teknologi kuantum yang ideal masih belum wujud dan penemuan hebat pada masa hadapan masih akan datang. Walau bagaimanapun, seseorang boleh cuba mengenal pasti calon yang mungkin dalam aplikasi teleportasi tertentu. Hibridisasi yang sesuai bagi ini, memandangkan rangka kerja dan kaedah yang serasi, boleh memberikan masa depan yang paling menjanjikan untuk teleportasi kuantum dan aplikasinya.
Jarak dekat
Teleportasi dalam jarak dekat (sehingga 1 m) sebagai subsistem pengkomputeran kuantum menjanjikan untuk peranti semikonduktor, yang terbaik ialah skema QED. Khususnya, qubit transmon superkonduktor boleh menjamin teleportasi pada cip yang deterministik dan berketepatan tinggi. Mereka juga membenarkan suapan langsung masa nyata, yangkelihatan bermasalah pada cip fotonik. Di samping itu, mereka menyediakan seni bina yang lebih berskala dan integrasi teknologi sedia ada yang lebih baik berbanding pendekatan sebelumnya seperti ion terperangkap. Pada masa ini, satu-satunya kelemahan sistem ini nampaknya adalah masa koheren terhad mereka (<100 µs). Masalah ini boleh diselesaikan dengan menyepadukan litar QED dengan sel memori ensembel putaran semikonduktor (dengan kekosongan yang digantikan nitrogen atau kristal terdop nadir bumi), yang boleh memberikan masa koheren yang panjang untuk penyimpanan data kuantum. Pelaksanaan ini kini menjadi subjek usaha yang banyak daripada komuniti saintifik.
Komunikasi bandar
Komunikasi teleportasi pada skala bandar (beberapa kilometer) boleh dibangunkan menggunakan mod optik. Dengan kerugian yang cukup rendah, sistem ini menyediakan kelajuan tinggi dan lebar jalur. Ia boleh dilanjutkan daripada pelaksanaan desktop kepada sistem jarak sederhana yang beroperasi melalui udara atau gentian, dengan kemungkinan integrasi dengan memori kuantum ensemble. Jarak yang lebih jauh tetapi kelajuan yang lebih rendah boleh dicapai dengan pendekatan hibrid atau dengan membangunkan pengulang yang baik berdasarkan proses bukan Gaussian.
Komunikasi jarak jauh
Teleportasi kuantum jarak jauh (lebih 100 km) ialah kawasan aktif, tetapi masih mengalami masalah terbuka. Kubit polarisasi -pembawa terbaik untuk teleportasi berkelajuan rendah melalui pautan gentian panjang dan melalui udara, tetapi protokol pada masa ini berkemungkinan disebabkan oleh pengesanan Loceng yang tidak lengkap.
Walaupun teleportasi dan belitan berkemungkinan boleh diterima untuk masalah seperti penyulingan belitan dan kriptografi kuantum, ini jelas berbeza daripada komunikasi, di mana input mesti dipelihara sepenuhnya.
Jika kita menerima sifat kebarangkalian ini, maka pelaksanaan satelit berada dalam jangkauan teknologi moden. Sebagai tambahan kepada penyepaduan kaedah pengesanan, masalah utama adalah kerugian tinggi yang disebabkan oleh penyebaran rasuk. Ini boleh diatasi dalam konfigurasi di mana kekusutan diedarkan daripada satelit kepada teleskop berasaskan darat apertur besar. Dengan mengandaikan apertur satelit 20 cm pada ketinggian 600 km dan apertur teleskop 1 m di atas tanah, kira-kira 75 dB kehilangan pautan ke bawah boleh dijangka, iaitu kurang daripada kehilangan 80 dB di aras tanah. Pelaksanaan darat-ke-satelit atau satelit-ke-satelit adalah lebih kompleks.
Memori kuantum
Penggunaan teleportasi pada masa hadapan sebagai sebahagian daripada rangkaian berskala secara langsung bergantung pada penyepaduannya dengan memori kuantum. Yang terakhir ini harus mempunyai antara muka sinaran kepada jirim yang sangat baik dari segi kecekapan penukaran, ketepatan rakaman dan bacaan, masa penyimpanan dan lebar jalur, kelajuan tinggi dan kapasiti storan. PertamaSeterusnya, ini akan membolehkan penggunaan geganti untuk memanjangkan komunikasi jauh melebihi penghantaran langsung menggunakan kod pembetulan ralat. Pembangunan memori kuantum yang baik akan membolehkan bukan sahaja untuk mengedarkan jalinan melalui rangkaian dan komunikasi teleportasi, tetapi juga untuk memproses maklumat yang disimpan dengan cara yang koheren. Akhirnya, ini boleh menukar rangkaian menjadi komputer kuantum yang diedarkan secara global atau asas untuk internet kuantum masa hadapan.
Perkembangan yang menjanjikan
Ansambel atom secara tradisinya dianggap menarik kerana penukaran cahaya kepada jirim yang cekap dan jangka hayat milisaatnya, yang boleh setinggi 100ms yang diperlukan untuk menghantar cahaya pada skala global. Walau bagaimanapun, perkembangan yang lebih menjanjikan hari ini dijangka berdasarkan sistem semikonduktor, di mana memori kuantum ensembel spin yang sangat baik disepadukan secara langsung dengan seni bina litar QED berskala. Memori ini bukan sahaja boleh memanjangkan masa koheren litar QED, tetapi juga menyediakan antara muka gelombang mikro optik untuk penukaran antara telekom optik dan foton gelombang mikro cip.
Oleh itu, penemuan masa depan saintis dalam bidang internet kuantum berkemungkinan berdasarkan komunikasi optik jarak jauh yang digabungkan dengan nod semikonduktor untuk memproses maklumat kuantum.
