Квантавая тэлепартацыя: вялікія адкрыцці навукоўцаў-фізікаў

Квантавая тэлепартацыя з'яўляецца адным з найбольш важных пратаколаў у квантавай інфармацыі. Грунтуючыся на фізічным рэсурсе заблытанасці, яна служыць галоўным элементам розных інфармацыйных задач і ўяўляе сабой важную складовую частку квантавых тэхналогій, гуляючы ключавую ролю ў далейшым развіцці квантавых вылічэнняў, сетак і камунікацыі.

Ад навуковай фантастыкі да адкрыцця вучоных

Прайшло ўжо больш за два дзесяцігоддзі з моманту адкрыцця квантавай тэлепартацыі, якая, магчыма, з'яўляецца адным з самых цікавых і захапляльных следстваў «дзівацтвы» квантавай механікі. Да таго як былі зроблены гэтыя вялікія адкрыцці, дадзеная ідэя належала вобласці навуковай фантастыкі. Упершыню прыдуманы ў 1931 г. Чарльзам Х. форт тэрмін «тэлепартацыя» з тых часоў выкарыстоўваецца для абазначэння працэсу, з дапамогай якога цела і аб'екты перадаюцца з аднаго месца ў іншае, на самай справе не пераадольваючы адлегласць паміж імі.

У 1993 годзе быў апублікаваны артыкул з апісаннем пратаколу квантавай інфармацыі, які атрымаў назву «квантавая тэлепартацыя», які падзяліў некалькі з пералічаных вышэй прыкмет. У ім невядомае стан фізічнай сістэмы вымяраецца і пасля прайграваецца або «паўторна збіраецца» ў аддаленым месцы (фізічныя элементы зыходнай сістэмы застаюцца ў месцы перадачы). Гэты працэс патрабуе класічных сродкаў сувязі і выключае сверхсветовых камунікацыю. Для яго неабходны рэсурс заблытанасці. На самай справе тэлепартацыю можна разглядаць як пратакол квантавай інфармацыі, які найбольш выразна дэманструе характар заблытанасці: без яго прысутнасці такі стан перадачы не было б магчымым у рамках законаў, якімі апісваецца квантавая механіка.

Тэлепартацыя гуляе актыўную ролю ў развіцці навукі аб інфармацыі. З аднаго боку, гэта канцэптуальны пратакол, які грае вырашальную ролю ў развіцці фармальнай квантавай тэорыі інфармацыі, а з другога ён з'яўляецца фундаментальнай складнікам многіх тэхналогій. Квантавы паўторнік - ключавы элемент камунікацыі на вялікія адлегласці. Тэлепартацыя квантавых перамыкачоў, вылічэнні на аснове вымярэнняў і квантавыя сеткі - усё з'яўляюцца яе вытворнымі. Яна выкарыстоўваецца і ў якасці простага інструмента для вывучэння «экстрэмальнай» фізікі, якая тычыцца часовых крывых і выпарэння чорных дзюр.

Сёння квантавая тэлепартацыя пацверджана ў лабараторыях ва ўсім свеце з выкарыстаннем мноства розных субстратаў і тэхналогій, у тым ліку фатонных кубитов, ядзернага магнітнага рэзанансу, аптычных мод, груп атамаў, захопленых атамаў і паўправадніковых сістэм. Выбітныя вынікі былі дасягнуты ў галіне далёкасці тэлепартацыі, маюцца быць эксперыменты са спадарожнікамі. Акрамя таго, пачаліся спробы маштабавання да больш складаных сістэм.

тэлепартацыя кубитов

Квантавая тэлепартацыя была ўпершыню апісаная для двухузроўневых сістэм, так званых кубитов. Пратакол разглядае дзве аддаленыя боку, названыя Алісай і Бобам, якія падзяляюць 2 кубита, А і В, якія знаходзяцца ў чыстым заблытаным стане, таксама званыя парай Бэла. На ўваходзе Алісе даецца яшчэ адзін кубит а, чыё стан ρ невядома. Затым яна выконвае сумеснае квантавы вымярэнне, званае выяўленнем Бэла. Яно пераносіць а і А ў адно з чатырох станаў Бэла. У выніку стан уваходнага кубита Алісы пры вымярэнні знікае, а кубит Боба B адначасова праецыюецца на Р ^{_† k ρP k.} На апошнім этапе пратаколу Аліса перадае класічны вынік яе вымярэння Бобу, які прымяняе аператар Паўлі _P k для аднаўлення зыходнага ρ.

Зыходны стан кубита Алісы лічыцца невядомым, так як у адваротным выпадку пратакол зводзіцца да яго выдаленага вымярэнні. Акрамя таго, яно само па сабе можа быць часткай больш буйной складовай сістэмы, падзеленай з трэцяй бокам (у гэтым выпадку паспяховая тэлепартацыя патрабуе прайгравання ўсіх карэляцыі з гэтай трэцяй бокам).

Тыповы эксперымент па квантавай тэлепартацыі прымае зыходны стан чыстым і якія належаць да абмежаванага алфавіце, напрыклад, шасці канцавоссяў сферы Блыха. У прысутнасці декогеренции якасць рэканструяванага стану можа быць колькасна выказана дакладнасцю тэлепартацыі F ∈ [0, 1]. Гэта дакладнасць паміж станамі Алісы і Боба, асераднёныя па ўсіх вынікамі выяўлення Бэла і зыходнаму алфавіце. Пры малых значэннях дакладнасці існуюць метады, якія дазваляюць правесці недасканалую тэлепартацыю без выкарыстання заблытанага рэсурсу. Напрыклад, Аліса можа напрамую вымераць сваё зыходны стан, пасылаючы вынікі Бобу для падрыхтоўкі выніковага стану. Такую стратэгію вымярэння-падрыхтоўкі называюць «класічнай тэлепартацыяй». Яна мае максімальную дакладнасць _F class = 2/3 для адвольнага уваходнага стану, што эквівалентна алфавіце ўзаемна несмещенных станаў, такіх як шэсць палюсоў сферы Блыха.

Такім чынам, выразнай прыкметай выкарыстання квантавых рэсурсаў з'яўляецца значэнне дакладнасці F> _F class.

Ня кубитом адзіным

Як сцвярджае квантавая фізіка, тэлепартацыя не абмяжоўваецца кубитами, яна можа ўключаць шматмерныя сістэмы. Для кожнага канчатковага вымярэння d можна сфармуляваць ідэальную схему тэлепартацыі, выкарыстоўваючы базіс максімальна заблытаных вектараў стану, які можа быць атрыманы з зададзенага максімальна заблытанага стану і базісу {U _k} унітарных аператараў, якія задавальняюць tr (U ^† _j U _k) = _{dδ j, k} . Такі пратакол можна пабудаваць для любога конечноразмерного гильбертового прасторы т. Зв. дыскрэтна-зменных сістэм.

Акрамя таго, квантавая тэлепартацыя можа распаўсюджвацца і на сістэмы з бесконечномерным гильбертовым прасторай, званымі бесперапынна-зменнымі сістэмамі. Як правіла, яны рэалізуюцца аптычнымі базон модамі, электрычнае поле якіх можна апісаць квадратурнай аператарамі.

Хуткасць і прынцып нявызначанасці

Якая хуткасць пры квантавай тэлепартацыі? Інфармацыя перадаецца на хуткасці, аналагічнай хуткасці перадачы таго ж колькасці класічнай - магчыма, са хуткасцю святла. Тэарэтычна яна можа быць выкарыстана такім чынам, якім класічная не можа - напрыклад, у квантавых вылічэннях, дзе дадзеныя даступныя толькі атрымальніку.

Ці парушае квантавая тэлепартацыя прынцып нявызначанасці? У мінулым ідэя тэлепартацыі не вельмі сур'ёзна ўспрымалася навукоўцамі, таму што лічылася, што яна парушае прынцып, які забараняе любому вымяральных або скануе працэсу здабываць ўсю інфармацыю атама або іншага аб'екта. У адпаведнасці з прынцыпам нявызначанасці, чым дакладней аб'ект скануецца, тым больш на яго ўплывае працэс сканавання, пакуль не будзе дасягнута кропка, калі зыходны стан аб'екта парушыцца да такой ступені, што больш нельга будзе атрымаць дастатковай колькасці інфармацыі для стварэння дакладнай копіі. Гэта гучыць пераканаўча: калі чалавек не можа атрымаць звесткі з аб'екта для стварэння ідэальнай копіі, то апошняя зробленая быць не можа.

Квантавая тэлепартацыя для чайнікаў

Але шэсць навукоўцаў (Чарльз Бенет, Жыль Брассар, Клод мацуе, Рычард Джос, Ашэр Перэс і Уільям Вутерс) знайшлі спосаб абыйсці гэтую логіку, выкарыстоўваючы знакамітую і парадаксальную асаблівасць квантавай механікі, вядомую як эфект Эйнштэйна-Падольскага-Розена. Яны знайшлі спосаб адсканаваць частка інфармацыі телепортируемого аб'екта А, а астатнюю неправераную частка з дапамогай згаданага эфекту перадаць іншаму аб'екту С, у кантакце з А ніколі не знаходзіліся.

У далейшым, шляхам прымянення да C ўздзеяння, які залежыць ад адсканаванай інфармацыі, можна ўвесці С у стан А да сканавання. Сам А ўжо не ў тым стане, так як цалкам зменены працэсам сканавання, таму дасягнутае з'яўляецца тэлепартацыяй, а не рэплікацыяй.

Барацьба за далёкасць

• Першая квантавая тэлепартацыя была праведзена ў 1997 г. амаль адначасова навукоўцамі з Універсітэта Інсбрука і Універсітэта Рыма. Падчас эксперыменту зыходны фатон, які валодае палярызацыяй, і адзін з пары заблытаных фатонаў падвергліся змене такім чынам, што другі фатон атрымаў палярызацыю зыходнага. Пры гэтым абодва фатона знаходзіліся на адлегласці адзін ад аднаго.
• У 2012 г. адбылася чарговая квантавая тэлепартацыя (Кітай, Універсітэт навукі і тэхналогіі) праз высакагорнае возера на адлегласць 97 км. Камандзе навукоўцаў з Шанхая на чале з Хуанам Иинем атрымалася распрацаваць навадны механізм, які дазволіў дакладна нацэліць пучок.
• У верасні таго ж года была праведзена рэкордная квантавая тэлепартацыя на 143 км. Аўстрыйскія навукоўцы з Акадэміі навук Аўстрыі і Універсітэта Вены пад кіраўніцтвам Антона Цайлингера паспяхова перадалі квантавыя стану паміж двума Канарскімі выспамі Ла Палм і Тэнэрыфэ. У эксперыменце выкарыстоўваліся дзве аптычныя лініі сувязі на адкрытым прасторы, квантумная і класічная, частотна некоррелированная палярызацыйна заблытаная пара фатонаў-крыніц, сверхнизкошумные однофотонной дэтэктары і счапленне тактавая сінхранізацыя.
• У 2015 г. даследнікі з амерыканскага Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогіі ўпершыню вырабілі перадачу інфармацыі на адлегласць больш за 100 км па оптавалакне. Гэта стала магчымым дзякуючы створаным у інстытуце однофотонной дэтэктарах, якія выкарыстоўваюць звышправодныя нанопровода з силицида малібдэна.

Зразумела, што ідэальнай квантавай сістэмы або тэхналогіі пакуль не існуе і вялікія адкрыцці будучыні яшчэ наперадзе. Тым не менш можна паспрабаваць вызначыць магчымых кандыдатаў у канкрэтных галінах прымянення тэлепартацыі. Падыходная іх гібрыдызацыя пры ўмове сумяшчальнай базы і метадаў можа забяспечыць найбольш перспектыўны будучыню для квантавай тэлепартацыі і яе ўжыванняў.

кароткія дыстанцыі

Тэлепартацыя на кароткія адлегласці (да 1 м) як падсістэма квантавых вылічэнняў перспектыўная на паўправадніковых прыладах, лепшым з якіх з'яўляецца схема QED. У прыватнасці, звышправодныя трансмоновые кубиты могуць гарантаваць дэтэрмінаваных і высокадакладную тэлепартацыю на чыпе. Яны таксама дазваляюць прамую падачу ў рэжыме рэальнага часу, якая выглядае праблематычнай на фатонных чыпах. Да таго ж яны забяспечваюць больш маштабуецца архітэктуру і лепшую інтэграцыю існуючых тэхналогій у параўнанні з папярэднімі падыходамі, такімі як захопленыя іёны. У цяперашні час адзіным недахопам гэтых сістэм, па-відаць, з'яўляецца іх абмежаваны час кагерэнтнасці (<100 мкс). Гэтая праблема можа быць вырашана з дапамогай інтэгравання схемы QED з паўправадніковымі спін-ансамблевыя вочкамі памяці (з азотна-замяшчэнне вакансіямі або легаванай рэдказямельных элементаў крышталямі), якія могуць забяспечыць працяглы час кагерэнтнасці для квантавага захоўвання дадзеных. У цяперашні час дадзеная рэалізацыя з'яўляецца прадметам прыкладання вялікіх намаганняў навуковай супольнасці.

гарадская сувязь

Телепортационная сувязь у маштабе горада (некалькі кіламетраў) магла б распрацоўвацца з выкарыстаннем аптычных мод. Пры досыць нізкіх стратах гэтыя сістэмы забяспечваюць высокія хуткасці і шырыню паласы. Яны могуць быць пашыраныя ад настольных рэалізацый да сістэм сярэдняй далёкасці, якія дзейнічаюць праз эфір ці оптавалакно, з магчымай інтэграцыяй з ансамблевых квантавай памяццю. Больш далёкія адлегласці, але з больш нізкімі хуткасцямі могуць быць дасягнутыя з дапамогай гібрыднага падыходу або шляхам распрацоўкі добрых рэтранслятараў, заснаваных на негауссовских працэсах.

далёкая сувязь

Міжгародняя квантавая тэлепартацыя (больш за 100 км) з'яўляецца актыўнай вобласцю, але па-ранейшаму пакутуе ад адкрытай праблемы. Кубиты палярызацыі - лепшыя носьбіты для нізкахуткасных тэлепартацыі па доўгіх оптавалакновых лініях сувязі і праз эфір, але ў цяперашні час пратакол з'яўляецца імавернасным з-за няпоўнага выяўлення Бэла.

Хоць імавернасны тэлепартацыя і заблытанасці прымальныя для такіх задач, як дыстыляцыя заблытвання і квантавая крыптаграфія, але гэта відавочна адрозніваецца ад камунікацыі, у якой ўваходная інфармацыя павінны быць цалкам захавана.

Калі прыняць гэты імавернасны характар, то спадарожнікавыя рэалізацыі знаходзяцца ў межах дасяжнасці сучасных тэхналогій. Акрамя інтэграцыі метадаў адсочвання, асноўнай праблемай становяцца высокія страты, выкліканыя расплыванием пучка. Гэта можа быць пераадолена ў канфігурацыі, дзе заблытанасць размеркавана ад спадарожніка да наземных тэлескопаў з вялікай Апертура. Мяркуючы апертуру спадарожніка ў 20 см пры 600-км вышыні і 1-м дыяфрагму тэлескопа на зямлі, можна чакаць каля 75 дб страт у канале сыходнай лініі сувязі, што менш, чым 80 дб страт на ўзроўні зямлі. Рэалізацыі «зямля-спадарожнік» або «спадарожнік-спадарожнік» з'яўляюцца больш складанымі.

квантавая памяць

Будучыню выкарыстанне тэлепартацыі ў якасці складовай часткі маштабуецца сеткі прама залежыць ад яе інтэграцыі з квантавай памяццю. Апошняя павінна валодаць цудоўным, з пункту гледжання эфектыўнасці канверсіі, інтэрфейсам «выпраменьванне-матэрыя», дакладнасцю запісу і счытвання, часам захоўвання і прапускной здольнасцю, высокай хуткасцю і ёмістасцю запамінальнай прылады. У першую чаргу гэта дасць магчымасць выкарыстоўваць рэтранслятары для пашырэння камунікацыі далёка за рамкі прамой перадачы з выкарыстаннем кодаў карэкцыі памылак. Развіццё добрай квантавай памяці дазволіла б не толькі размеркаваць заблытванне па сетцы і телепортационную камунікацыю, але і складна апрацоўваць зберажоную інфармацыю. У канчатковым выніку, гэта можа ператварыць сетку ў сусветна размеркаваны квантавы кампутар альбо аснову для будучага квантавага інтэрнэту.

перспектыўныя распрацоўкі

Атамныя ансамблі традыцыйна лічыліся прывабнымі з-за іх эфектыўнага пераўтварэння «святло-матэрыя» і іх миллисекундных тэрмінаў захоўвання, якія могуць дасягаць 100 мс, неабходных для перадачы святла ў глабальным маштабе. Тым не менш больш перспектыўныя распрацоўкі сёння чакаюцца на аснове паўправадніковых сістэм, дзе выдатная спін-ансамблевая квантавая памяць прама інтэгруецца з маштабуецца архітэктурай схемы QED. Гэтая памяць не толькі можа падоўжыць час кагерэнтнасці ланцуга QED, але і забяспечыць оптыка-мікрахвалевай інтэрфейс для взаимопревращения оптыка-тэлекамунікацыйных і чыпавых мікрахвалевых фатонаў.

Такім чынам, будучыя адкрыцця вучоных у галіне квантавага інтэрнэту, верагодна, будуць заснаваныя на дальняй аптычнай сувязі, спалучанай з паўправадніковымі вузламі для апрацоўкі квантавай інфармацыі.