Ang
Quantum teleportation ay isa sa pinakamahalagang protocol sa quantum information. Batay sa pisikal na mapagkukunan ng pagkakasalungatan, ito ay nagsisilbing pangunahing elemento ng iba't ibang mga gawain sa impormasyon at isang mahalagang bahagi ng mga teknolohiyang quantum, na gumaganap ng isang mahalagang papel sa karagdagang pag-unlad ng quantum computing, mga network at komunikasyon.
Mula sa science fiction hanggang sa pagtuklas ng mga siyentipiko
Mahigit na dalawang dekada mula nang matuklasan ang quantum teleportation, na marahil ay isa sa mga pinakakawili-wili at kapana-panabik na bunga ng "kakaibang" ng quantum mechanics. Bago ang mga dakilang pagtuklas na ito ay ginawa, ang ideyang ito ay kabilang sa larangan ng science fiction. Unang nilikha noong 1931 ni Charles H. Fort, ang terminong "teleportasyon" ay ginamit mula noon upang tukuyin ang proseso kung saan ang mga katawan at bagay ay inililipat mula sa isang lugar patungo sa isa pa nang hindi aktwal na naglalakbay ng distansya sa pagitan ng mga ito.
Noong 1993, isang artikulo ang nai-publish na naglalarawan sa quantum information protocol, na tinatawag na"quantum teleportation", na nagbahagi ng ilan sa mga feature na nakalista sa itaas. Sa loob nito, ang hindi alam na estado ng isang pisikal na sistema ay sinusukat at pagkatapos ay muling ginawa o "muling binuo" sa isang malayong lokasyon (ang mga pisikal na elemento ng orihinal na sistema ay nananatili sa lugar ng paghahatid). Ang prosesong ito ay nangangailangan ng mga klasikal na paraan ng komunikasyon at hindi kasama ang FTL na komunikasyon. Nangangailangan ito ng mapagkukunan ng gusot. Sa katunayan, ang teleportasyon ay makikita bilang isang quantum information protocol na pinaka-malinaw na nagpapakita ng likas na katangian ng gusot: kung wala ang presensya nito, ang ganitong estado ng paghahatid ay hindi magiging posible sa loob ng balangkas ng mga batas na naglalarawan sa quantum mechanics.
Ang teleportasyon ay gumaganap ng isang aktibong papel sa pagpapaunlad ng agham ng impormasyon. Sa isang banda, ito ay isang conceptual protocol na gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa pagbuo ng pormal na quantum information theory, at sa kabilang banda, ito ay isang pangunahing bahagi ng maraming mga teknolohiya. Ang quantum repeater ay isang mahalagang elemento ng komunikasyon sa malalayong distansya. Ang teleportation ng quantum switch, computing na nakabatay sa dimensyon, at mga quantum network ay pawang mga derivatives nito. Ginagamit din ito bilang isang simpleng tool para sa pag-aaral ng "extreme" physics tungkol sa time curves at black hole evaporation.
Ngayon, nakumpirma na ang quantum teleportation sa mga laboratoryo sa buong mundo gamit ang maraming iba't ibang substrate at teknolohiya, kabilang ang mga photonic qubit, nuclear magnetic resonance, optical mode, grupo ng mga atom, mga na-trap na atom, atmga sistema ng semiconductor. Ang mga natitirang resulta ay nakamit sa larangan ng teleportation range, darating ang mga eksperimento sa mga satellite. Bilang karagdagan, nagsimula na ang mga pagtatangka sa mas kumplikadong mga sistema.
Teleportation ng mga qubit
Ang
Quantum teleportation ay unang inilarawan para sa dalawang antas na sistema, ang tinatawag na qubits. Isinasaalang-alang ng protocol ang dalawang malalayong partido, na tinatawag na Alice at Bob, na nagbabahagi ng 2 qubit, A at B, sa isang purong gusot na estado, na tinatawag ding pares ng Bell. Sa input, binigyan si Alice ng isa pang qubit a, na ang estado ρ ay hindi alam. Pagkatapos ay nagsasagawa siya ng pinagsamang pagsukat ng quantum na tinatawag na Bell detection. Ito ay tumatagal ng isang at A sa isa sa apat na estado ng Bell. Bilang resulta, nawawala ang estado ng input qubit ni Alice sa panahon ng pagsukat, at ang B qubit ni Bob ay sabay-sabay na na-project sa Р†kρP k. Sa huling yugto ng protocol, ipinapadala ni Alice ang klasikal na resulta ng kanyang pagsukat kay Bob, na gumagamit ng Pauli operator na Pk upang ibalik ang orihinal na ρ.
Ang unang estado ng qubit ni Alice ay itinuturing na hindi alam, dahil kung hindi, ang protocol ay mababawasan sa malayong pagsukat nito. Bilang kahalili, maaaring ito mismo ay bahagi ng isang mas malaking composite system na ibinahagi sa isang third party (kung saan, ang matagumpay na teleportation ay nangangailangan ng muling paggawa ng lahat ng mga ugnayan sa third party na iyon).
Ang isang tipikal na eksperimento sa quantum teleportation ay ipinapalagay na ang paunang estado ay dalisay at kabilang sa isang limitadong alpabeto,halimbawa, ang anim na pole ng Bloch sphere. Sa pagkakaroon ng decoherence, ang kalidad ng reconstructed state ay maaaring ma-quantify ng teleportation accuracy F ∈ [0, 1]. Ito ang katumpakan sa pagitan ng mga estado ng Alice at Bob, na na-average sa lahat ng mga resulta ng pagtuklas ng Bell at ang orihinal na alpabeto. Sa mababang mga halaga ng katumpakan, may mga pamamaraan na nagbibigay-daan sa hindi perpektong teleportasyon nang hindi gumagamit ng na-obfuscate na mapagkukunan. Halimbawa, direktang masusukat ni Alice ang kanyang paunang estado sa pamamagitan ng pagpapadala ng mga resulta kay Bob upang ihanda ang resultang estado. Ang diskarte sa paghahanda sa pagsukat na ito ay tinatawag na "classical teleportation". Ito ay may pinakamataas na katumpakan ng Fclass=2/3 para sa isang arbitrary na estado ng pag-input, na katumbas ng isang alpabeto ng magkaparehong walang pinapanigan na mga estado, tulad ng anim na pole ng isang Bloch sphere.
Kaya, ang malinaw na indikasyon ng paggamit ng quantum resources ay ang accuracy value F> Fclass.
Wala ni isang qubit
Ayon sa quantum physics, ang teleportation ay hindi limitado sa mga qubit, maaari itong magsama ng mga multidimensional system. Para sa bawat may hangganang dimensyon d, maaaring bumalangkas ang isang tao ng perpektong teleportation scheme gamit ang batayan ng pinakamaraming gusot na mga vector ng estado, na maaaring makuha mula sa isang ibinigay na pinakamataas na gusot na estado at batayan {Uk} ng unitary operator na nagbibigay-kasiyahan sa tr(U †j Uk)=dδj, k . Ang ganitong protocol ay maaaring itayo para sa anumang may hangganang-dimensional na Hilbertmga espasyo ng tinatawag na. discrete variable system.
Bukod dito, ang quantum teleportation ay maaari ding i-extend sa mga system na may walang katapusang-dimensional na Hilbert space, na tinatawag na continuous-variable system. Bilang isang patakaran, napagtanto ang mga ito sa pamamagitan ng mga optical bosonic mode, na ang electric field ay maaaring ilarawan ng mga quadrature operator.
Prinsipyo ng bilis at kawalan ng katiyakan
Ano ang bilis ng quantum teleportation? Ang impormasyon ay ipinapadala sa bilis na katulad ng sa parehong dami ng klasikal na paghahatid - marahil sa bilis ng liwanag. Sa teorya, maaari itong gamitin sa mga paraan na hindi magagawa ng classical - halimbawa, sa quantum computing, kung saan available lang ang data sa tatanggap.
Ang quantum teleportation ba ay lumalabag sa uncertainty principle? Noong nakaraan, ang ideya ng teleportasyon ay hindi masyadong sineseryoso ng mga siyentipiko dahil ito ay naisip na lumalabag sa prinsipyo na ang anumang proseso ng pagsukat o pag-scan ay hindi kukuha ng lahat ng impormasyon ng isang atom o iba pang bagay. Ayon sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan, mas tumpak na na-scan ang isang bagay, mas naaapektuhan ito ng proseso ng pag-scan, hanggang sa maabot ang isang punto kung saan ang orihinal na estado ng bagay ay nilabag sa isang lawak na hindi na posible na makuha. sapat na impormasyon para makagawa ng eksaktong kopya. Ito ay parang nakakumbinsi: kung ang isang tao ay hindi makakuha ng impormasyon mula sa isang bagay upang lumikha ng isang perpektong kopya, ang huli ay hindi maaaring gawin.
Quantum teleportation para sa mga dummies
Ngunit anim na siyentipiko (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez at William Wuthers) ang nakahanap ng paraan sa lohika na ito sa pamamagitan ng paggamit ng sikat at kabalintunaan na katangian ng quantum mechanics na kilala bilang Einstein-Podolsky- Rosen effect. Nakahanap sila ng paraan upang i-scan ang bahagi ng impormasyon ng na-teleport na object A, at ilipat ang natitirang bahagi ng hindi na-verify na bahagi sa pamamagitan ng nabanggit na epekto sa isa pang object C, na hindi kailanman nakipag-ugnayan sa A.
Dagdag pa, sa pamamagitan ng paglalapat sa C ng impluwensyang nakasalalay sa na-scan na impormasyon, maaari mong ilagay ang C sa estado A bago mag-scan. Ang A mismo ay wala na sa parehong estado, dahil ganap na itong nabago ng proseso ng pag-scan, kaya ang nakamit ay teleportation, hindi replikasyon.
Pakikibaka para sa hanay
- Ang unang quantum teleportation ay isinagawa noong 1997 halos sabay-sabay ng mga siyentipiko mula sa Unibersidad ng Innsbruck at Unibersidad ng Roma. Sa panahon ng eksperimento, ang orihinal na photon, na may polariseysyon, at isa sa mga pares ng gusot na photon, ay binago sa paraang natanggap ng pangalawang photon ang polariseysyon ng orihinal. Sa kasong ito, ang parehong mga photon ay nasa malayo sa isa't isa.
- Noong 2012 isa pang quantum teleportation ang naganap (China, University of Science and Technology) sa pamamagitan ng mataas na lawa ng bundok sa layong 97 km. Ang isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Shanghai, na pinamumunuan ni Huang Yin, ay nakabuo ng mekanismo ng pag-uwi na naging posible upang tumpak na mapuntirya ang sinag.
- Noong Setyembre ng parehong taon, isinagawa ang record quantum teleportation na 143 km. Mga siyentipikong Austrian mula sa Austrian Academy of Sciences at sa UnibersidadAng Vienna, sa pangunguna ni Anton Zeilinger, ay matagumpay na nailipat ang mga quantum state sa pagitan ng dalawang Canary Islands ng La Palma at Tenerife. Gumamit ang eksperimento ng dalawang optical na linya ng komunikasyon sa open space, quantum at classical, frequency uncorrelated polarization entangled pares ng source photon, ultra-low noise single-photon detector at coupled clock synchronization.
- Noong 2015, ang mga mananaliksik mula sa US National Institute of Standards and Technology sa unang pagkakataon ay nagpadala ng impormasyon sa layong higit sa 100 km sa pamamagitan ng optical fiber. Naging posible ito salamat sa mga single-photon detector na ginawa sa institute, gamit ang mga superconducting nanowires na gawa sa molybdenum silicide.
Malinaw na ang perpektong quantum system o teknolohiya ay hindi pa umiiral at ang mga dakilang pagtuklas sa hinaharap ay darating pa. Gayunpaman, maaaring subukan ng isa na kilalanin ang mga posibleng kandidato sa mga partikular na aplikasyon ng teleportasyon. Ang angkop na pag-hybrid ng mga ito, na binigyan ng katugmang balangkas at pamamaraan, ay maaaring magbigay ng pinaka-maaasahan na hinaharap para sa quantum teleportation at mga aplikasyon nito.
Maikling distansya
Teleportation sa mga malalayong distansya (hanggang 1 m) bilang isang quantum computing subsystem ay nangangako para sa mga semiconductor device, ang pinakamaganda rito ay ang QED scheme. Sa partikular, ang superconducting transmon qubits ay magagarantiyahan ng deterministic at high-precision on-chip teleportation. Pinapayagan din nila ang real-time na direktang feed, namukhang may problema sa photonic chips. Bilang karagdagan, nagbibigay sila ng isang mas nasusukat na arkitektura at mas mahusay na pagsasama ng mga umiiral na teknolohiya kumpara sa mga nakaraang diskarte tulad ng mga nakulong na ion. Sa kasalukuyan, ang tanging disbentaha ng mga sistemang ito ay tila ang kanilang limitadong oras ng pagkakaugnay (<100 µs). Ang problemang ito ay malulutas sa pamamagitan ng pagsasama ng QED circuit sa semiconductor spin-ensemble memory cells (na may nitrogen-substituted vacancies o rare-earth-doped crystals), na maaaring magbigay ng mahabang coherence time para sa quantum data storage. Ang pagpapatupad na ito ay kasalukuyang paksa ng maraming pagsisikap mula sa siyentipikong komunidad.
Komunikasyon sa lungsod
Ang komunikasyon sa teleportasyon sa isang sukat ng lungsod (ilang kilometro) ay maaaring mabuo gamit ang mga optical mode. Sa sapat na mababang pagkalugi, ang mga system na ito ay nagbibigay ng mataas na bilis at bandwidth. Maaari silang i-extend mula sa mga pagpapatupad sa desktop hanggang sa mga medium-range na system na tumatakbo sa hangin o fiber, na may posibleng pagsasama sa ensemble quantum memory. Ang mas mahabang distansya ngunit mas mababang bilis ay maaaring makamit gamit ang isang hybrid na diskarte o sa pamamagitan ng pagbuo ng mahusay na mga repeater batay sa mga hindi Gaussian na proseso.
Komunikasyon sa malayong distansya
Ang
Long-distance quantum teleportation (mahigit 100 km) ay isang aktibong lugar, ngunit dumaranas pa rin ng isang bukas na problema. Polarization qubits -ang pinakamahusay na mga carrier para sa mababang bilis ng teleportation sa mahabang fiber link at sa himpapawid, ngunit ang protocol ay kasalukuyang probabilistic dahil sa hindi kumpletong Bell detection.
Bagama't tinatanggap ang probabilistic teleportation at entanglements para sa mga problema gaya ng entanglement distillation at quantum cryptography, malinaw na naiiba ito sa komunikasyon, kung saan dapat na ganap na mapangalagaan ang input.
Kung tatanggapin natin ang probabilistikong katangiang ito, ang mga pagpapatupad ng satellite ay nasa abot ng makabagong teknolohiya. Bilang karagdagan sa pagsasama ng mga paraan ng pagsubaybay, ang pangunahing problema ay ang mataas na pagkalugi na dulot ng pagkalat ng sinag. Ito ay maaaring pagtagumpayan sa isang pagsasaayos kung saan ang pagkakasalubong ay ipinamamahagi mula sa satellite hanggang sa malalaking siwang na nakabatay sa lupa na mga teleskopyo. Ipagpalagay na may satellite aperture na 20 cm sa 600 km altitude at 1 m telescope aperture sa lupa, humigit-kumulang 75 dB ng downlink loss ang maaaring asahan, na mas mababa sa 80 dB loss sa ground level. Mas kumplikado ang ground-to-satellite o satellite-to-satellite na mga pagpapatupad.
Quantum memory
Ang hinaharap na paggamit ng teleportation bilang bahagi ng isang scalable network ay direktang nakasalalay sa pagsasama nito sa quantum memory. Ang huli ay dapat magkaroon ng isang mahusay na interface ng radiation-to-matter sa mga tuntunin ng kahusayan ng conversion, katumpakan ng pag-record at pagbabasa, oras ng imbakan at bandwidth, mataas na bilis at kapasidad ng imbakan. UnaSa turn, papayagan nito ang paggamit ng mga relay na palawigin ang komunikasyon nang higit pa sa direktang paghahatid gamit ang mga error correction code. Ang pagbuo ng isang mahusay na memorya ng kabuuan ay magbibigay-daan hindi lamang upang ipamahagi ang gusot sa network at teleportation na komunikasyon, ngunit din upang iproseso ang nakaimbak na impormasyon sa isang magkakaugnay na paraan. Sa huli, maaari nitong gawing isang quantum computer ang network na ipinamamahagi sa buong mundo o ang batayan para sa hinaharap na quantum internet.
Mga pangakong pag-unlad
Ang
Atomic ensemble ay tradisyonal na itinuturing na kaakit-akit dahil sa kanilang mahusay na light-to-matter na conversion at ang kanilang mga millisecond na buhay, na maaaring kasing taas ng 100ms na kailangan upang magpadala ng liwanag sa pandaigdigang saklaw. Gayunpaman, inaasahan ang higit pang mga promising development ngayon batay sa mga semiconductor system, kung saan ang mahusay na spin-ensemble quantum memory ay direktang isinama sa scalable QED circuit architecture. Ang memorya na ito ay hindi lamang makakapagpalawig sa oras ng pagkakaugnay ng QED circuit, ngunit nagbibigay din ng optical-microwave interface para sa interconversion ng optical-telecom at chip microwave photons.
Kaya, ang mga natuklasan sa hinaharap ng mga siyentipiko sa larangan ng quantum internet ay malamang na nakabatay sa pangmatagalang optical na komunikasyon na isinama sa mga semiconductor node upang iproseso ang quantum information.
