Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι ένα από τα πιο σημαντικά πρωτόκολλα στην κβαντική πληροφορία. Βασισμένο στον φυσικό πόρο της εμπλοκής, χρησιμεύει ως το κύριο στοιχείο διαφόρων εργασιών πληροφοριών και αποτελεί σημαντικό συστατικό των κβαντικών τεχνολογιών, διαδραματίζοντας βασικό ρόλο στην περαιτέρω ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, των δικτύων και της επικοινωνίας.
Από την επιστημονική φαντασία στην ανακάλυψη των επιστημόνων
Έχουν περάσει περισσότερες από δύο δεκαετίες από την ανακάλυψη της κβαντικής τηλεμεταφοράς, η οποία είναι ίσως μία από τις πιο ενδιαφέρουσες και συναρπαστικές συνέπειες της «παραξενιάς» της κβαντικής μηχανικής. Πριν γίνουν αυτές οι μεγάλες ανακαλύψεις, αυτή η ιδέα ανήκε στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας. Επινοήθηκε για πρώτη φορά το 1931 από τον Charles H. Fort, ο όρος "τηλεμεταφορά" από τότε χρησιμοποιείται για να αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία σώματα και αντικείμενα μεταφέρονται από το ένα μέρος στο άλλο χωρίς να διανύσουν πραγματικά την απόσταση μεταξύ τους.
Το 1993, δημοσιεύτηκε ένα άρθρο που περιγράφει το πρωτόκολλο κβαντικής πληροφορίας, που ονομάζεται"κβαντική τηλεμεταφορά", η οποία μοιράζεται πολλά από τα χαρακτηριστικά που αναφέρονται παραπάνω. Σε αυτό, η άγνωστη κατάσταση ενός φυσικού συστήματος μετριέται και στη συνέχεια αναπαράγεται ή «ανασυναρμολογείται» σε μια απομακρυσμένη τοποθεσία (τα φυσικά στοιχεία του αρχικού συστήματος παραμένουν στη θέση μετάδοσης). Αυτή η διαδικασία απαιτεί κλασικά μέσα επικοινωνίας και αποκλείει την επικοινωνία FTL. Χρειάζεται ένα πόρο διαπλοκής. Στην πραγματικότητα, η τηλεμεταφορά μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρωτόκολλο κβαντικής πληροφορίας που καταδεικνύει με μεγαλύτερη σαφήνεια τη φύση της εμπλοκής: χωρίς την παρουσία της, μια τέτοια κατάσταση μετάδοσης δεν θα ήταν δυνατή στο πλαίσιο των νόμων που περιγράφουν την κβαντική μηχανική.
Η τηλεμεταφορά διαδραματίζει ενεργό ρόλο στην ανάπτυξη της επιστήμης της πληροφορίας. Αφενός, είναι ένα εννοιολογικό πρωτόκολλο που παίζει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη της επίσημης θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας και, αφετέρου, είναι θεμελιώδες συστατικό πολλών τεχνολογιών. Ο κβαντικός επαναλήπτης είναι βασικό στοιχείο επικοινωνίας σε μεγάλες αποστάσεις. Η τηλεμεταφορά κβαντικού μεταγωγέα, ο υπολογισμός με βάση τις διαστάσεις και τα κβαντικά δίκτυα είναι όλα παράγωγά του. Χρησιμοποιείται επίσης ως απλό εργαλείο για τη μελέτη της «ακραίας» φυσικής σχετικά με τις καμπύλες χρόνου και την εξάτμιση της μαύρης τρύπας.
Σήμερα, η κβαντική τηλεμεταφορά έχει επιβεβαιωθεί σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιώντας πολλά διαφορετικά υποστρώματα και τεχνολογίες, όπως φωτονικά qubit, πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, οπτικούς τρόπους, ομάδες ατόμων, παγιδευμένα άτομα καισυστήματα ημιαγωγών. Έχουν επιτευχθεί εξαιρετικά αποτελέσματα στον τομέα της εμβέλειας τηλεμεταφοράς, έρχονται πειράματα με δορυφόρους. Επιπλέον, έχουν αρχίσει προσπάθειες να κλιμακωθούν σε πιο πολύπλοκα συστήματα.
Τηλεμεταφορά qubits
Η κβαντική τηλεμεταφορά περιγράφηκε για πρώτη φορά για συστήματα δύο επιπέδων, τα λεγόμενα qubits. Το πρωτόκολλο εξετάζει δύο απομακρυσμένα μέρη, που ονομάζονται Alice και Bob, τα οποία μοιράζονται 2 qubits, το A και το B, σε μια καθαρά μπερδεμένη κατάσταση, που ονομάζεται επίσης ζεύγος Bell. Στην είσοδο, δίνεται στην Αλίκη ένα άλλο qubit a, του οποίου η κατάσταση ρ είναι άγνωστη. Στη συνέχεια εκτελεί μια κοινή κβαντική μέτρηση που ονομάζεται ανίχνευση κουδουνιού. Χρειάζεται ένα και Α σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις Bell. Ως αποτέλεσμα, η κατάσταση του qubit εισόδου της Alice εξαφανίζεται κατά τη διάρκεια της μέτρησης και το qubit B του Bob προβάλλεται ταυτόχρονα στο Р†kρP k. Στο τελευταίο στάδιο του πρωτοκόλλου, η Alice στέλνει το κλασικό αποτέλεσμα της μέτρησής της στον Bob, ο οποίος χρησιμοποιεί τον τελεστή Pauli Pk για να επαναφέρει το αρχικό ρ.
Η αρχική κατάσταση του qubit της Alice θεωρείται άγνωστη, γιατί διαφορετικά το πρωτόκολλο περιορίζεται στην απομακρυσμένη μέτρησή του. Εναλλακτικά, μπορεί το ίδιο να αποτελεί μέρος ενός μεγαλύτερου σύνθετου συστήματος κοινόχρηστου με τρίτο μέρος (στην περίπτωση αυτή, η επιτυχημένη τηλεμεταφορά απαιτεί την αναπαραγωγή όλων των συσχετίσεων με αυτό το τρίτο μέρος).
Ένα τυπικό πείραμα κβαντικής τηλεμεταφοράς υποθέτει ότι η αρχική κατάσταση είναι καθαρή και ανήκει σε ένα περιορισμένο αλφάβητο,για παράδειγμα, οι έξι πόλοι της σφαίρας Bloch. Παρουσία αποσυνοχής, η ποιότητα της ανακατασκευασμένης κατάστασης μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με την ακρίβεια τηλεμεταφοράς F ∈ [0, 1]. Αυτή είναι η ακρίβεια μεταξύ των καταστάσεων της Αλίκης και του Μπομπ, που υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε όλα τα αποτελέσματα ανίχνευσης Bell και στο αρχικό αλφάβητο. Σε χαμηλές τιμές ακρίβειας, υπάρχουν μέθοδοι που επιτρέπουν ατελή τηλεμεταφορά χωρίς τη χρήση ασαφούς πόρου. Για παράδειγμα, η Alice μπορεί να μετρήσει απευθείας την αρχική της κατάσταση στέλνοντας τα αποτελέσματα στον Bob για να προετοιμάσει την κατάσταση που προκύπτει. Αυτή η στρατηγική μέτρησης-προετοιμασίας ονομάζεται «κλασική τηλεμεταφορά». Έχει μέγιστη ακρίβεια Fclass=2/3 για μια αυθαίρετη κατάσταση εισαγωγής, η οποία είναι ισοδύναμη με ένα αλφάβητο αμοιβαία αμερόληπτων καταστάσεων, όπως οι έξι πόλοι μιας σφαίρας Bloch.
Έτσι, μια σαφής ένδειξη της χρήσης κβαντικών πόρων είναι η τιμή ακρίβειας F> Fclass.
Ούτε ένα qubit
Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, η τηλεμεταφορά δεν περιορίζεται σε qubits, μπορεί να περιλαμβάνει πολυδιάστατα συστήματα. Για κάθε πεπερασμένη διάσταση d, μπορεί κανείς να διαμορφώσει ένα ιδανικό σχήμα τηλεμεταφοράς χρησιμοποιώντας τη βάση των διανυσμάτων με μέγιστα μπερδεμένη κατάσταση, τα οποία μπορούν να ληφθούν από μια δεδομένη κατάσταση μέγιστου εμπλοκής και μια βάση {Uk} του ενιαίους τελεστές που ικανοποιούν tr(U †j Uk)=dδj, k . Ένα τέτοιο πρωτόκολλο μπορεί να κατασκευαστεί για οποιοδήποτε πεπερασμένων διαστάσεων Hilbertχώρους των λεγόμενων. διακριτά μεταβλητά συστήματα.
Εξάλλου, η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί επίσης να επεκταθεί σε συστήματα με χώρο Hilbert άπειρων διαστάσεων, που ονομάζονται συστήματα συνεχούς μεταβλητής. Κατά κανόνα, πραγματοποιούνται με οπτικούς μποζονικούς τρόπους, το ηλεκτρικό πεδίο των οποίων μπορεί να περιγραφεί από τελεστές τετραγωνισμού.
Αρχή ταχύτητας και αβεβαιότητας
Ποια είναι η ταχύτητα της κβαντικής τηλεμεταφοράς; Οι πληροφορίες μεταδίδονται με ταχύτητα παρόμοια με εκείνη της ίδιας ποσότητας κλασικής μετάδοσης - ίσως με την ταχύτητα του φωτός. Θεωρητικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τρόπους που ο κλασικός δεν μπορεί - για παράδειγμα, στον κβαντικό υπολογισμό, όπου τα δεδομένα είναι διαθέσιμα μόνο στον παραλήπτη.
Η κβαντική τηλεμεταφορά παραβιάζει την αρχή της αβεβαιότητας; Στο παρελθόν, η ιδέα της τηλεμεταφοράς δεν ελήφθη πολύ σοβαρά υπόψη από τους επιστήμονες, επειδή θεωρήθηκε ότι παραβιάζει την αρχή ότι οποιαδήποτε διαδικασία μέτρησης ή σάρωσης δεν θα εξάγει όλες τις πληροφορίες ενός ατόμου ή άλλου αντικειμένου. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, όσο ακριβέστερα σαρώνεται ένα αντικείμενο, τόσο περισσότερο επηρεάζεται από τη διαδικασία σάρωσης, έως ότου επιτευχθεί ένα σημείο όπου η αρχική κατάσταση του αντικειμένου παραβιάζεται σε τέτοιο βαθμό ώστε να μην είναι πλέον δυνατή η απόκτηση αρκετές πληροφορίες για να δημιουργήσετε ένα ακριβές αντίγραφο. Αυτό ακούγεται πειστικό: εάν ένα άτομο δεν μπορεί να εξαγάγει πληροφορίες από ένα αντικείμενο για να δημιουργήσει ένα τέλειο αντίγραφο, τότε δεν μπορεί να γίνει το τελευταίο.
Κβαντική τηλεμεταφορά για ανδρείκελα
Αλλά έξι επιστήμονες (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez και William Wuthers) βρήκαν έναν τρόπο να παρακάμψουν αυτή τη λογική χρησιμοποιώντας το περίφημο και παράδοξο χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής, γνωστό ως Einstein-Podolsky- Εφέ Rosen. Βρήκαν έναν τρόπο να σκανάρουν μέρος των πληροφοριών του τηλεμεταφερόμενου αντικειμένου Α και να μεταφέρουν το υπόλοιπο μη επαληθευμένο μέρος μέσω του αναφερόμενου εφέ σε άλλο αντικείμενο Γ, το οποίο δεν έχει έρθει ποτέ σε επαφή με το Α.
Επιπλέον, εφαρμόζοντας στο C μια επιρροή που εξαρτάται από τις σαρωμένες πληροφορίες, μπορείτε να θέσετε το C σε κατάσταση Α πριν από τη σάρωση. Το ίδιο το A δεν βρίσκεται πλέον στην ίδια κατάσταση, καθώς έχει αλλάξει εντελώς από τη διαδικασία σάρωσης, επομένως αυτό που έχει επιτευχθεί είναι η τηλεμεταφορά, όχι η αναπαραγωγή.
Αγώνας για εύρος
- Η πρώτη κβαντική τηλεμεταφορά πραγματοποιήθηκε το 1997 σχεδόν ταυτόχρονα από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ και το Πανεπιστήμιο της Ρώμης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το αρχικό φωτόνιο, το οποίο έχει μια πόλωση, και ένα από το ζεύγος των εμπλεκόμενων φωτονίων, άλλαξαν με τέτοιο τρόπο ώστε το δεύτερο φωτόνιο να λαμβάνει την πόλωση του αρχικού. Σε αυτήν την περίπτωση, και τα δύο φωτόνια βρίσκονταν σε απόσταση μεταξύ τους.
- Το 2012 έλαβε χώρα μια άλλη κβαντική τηλεμεταφορά (Κίνα, Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας) μέσω μιας λίμνης ψηλού βουνού σε απόσταση 97 χιλιομέτρων. Μια ομάδα επιστημόνων από τη Σαγκάη, με επικεφαλής τον Χουάνγκ Γιν, κατάφεραν να αναπτύξουν έναν μηχανισμό υποδοχής που κατέστησε δυνατή την ακριβή στόχευση της δοκού.
- Τον Σεπτέμβριο του ίδιου έτους, πραγματοποιήθηκε ρεκόρ κβαντικής τηλεμεταφοράς 143 km. Αυστριακοί επιστήμονες από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών και το ΠανεπιστήμιοΗ Βιέννη, με επικεφαλής τον Anton Zeilinger, μετέφερε επιτυχώς κβαντικές καταστάσεις μεταξύ των δύο Καναρίων Νήσων Λα Πάλμα και Τενερίφη. Το πείραμα χρησιμοποίησε δύο οπτικές γραμμές επικοινωνίας σε ανοιχτό χώρο, κβαντική και κλασική, ασύνδετη πόλωση συχνότητας εμπλεκόμενο ζευγάρι φωτονίων πηγής, ανιχνευτές ενός φωτονίου εξαιρετικά χαμηλού θορύβου και συγχρονισμό συζευγμένου ρολογιού.
- Το 2015, ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ μετέδωσαν για πρώτη φορά πληροφορίες σε απόσταση μεγαλύτερη από 100 km μέσω οπτικής ίνας. Αυτό κατέστη δυνατό χάρη στους ανιχνευτές ενός φωτονίου που δημιουργήθηκαν στο ινστιτούτο, χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα νανοσύρματα από πυριτικό μολυβδαίνιο.
Είναι σαφές ότι το ιδανικό κβαντικό σύστημα ή τεχνολογία δεν υπάρχει ακόμη και οι μεγάλες ανακαλύψεις του μέλλοντος δεν έχουν ακόμη έρθει. Ωστόσο, μπορεί κανείς να προσπαθήσει να εντοπίσει πιθανούς υποψηφίους σε συγκεκριμένες εφαρμογές τηλεμεταφοράς. Ο κατάλληλος υβριδισμός αυτών, δεδομένου ενός συμβατού πλαισίου και μεθόδων, θα μπορούσε να προσφέρει το πιο πολλά υποσχόμενο μέλλον για την κβαντική τηλεμεταφορά και τις εφαρμογές της.
Μικρές αποστάσεις
Η τηλεμεταφορά σε μικρές αποστάσεις (έως 1 m) ως υποσύστημα κβαντικών υπολογιστών είναι πολλά υποσχόμενη για συσκευές ημιαγωγών, το καλύτερο από τα οποία είναι το σχήμα QED. Ειδικότερα, τα υπεραγώγιμα qubit transmon μπορούν να εγγυηθούν ντετερμινιστική και υψηλής ακρίβειας τηλεμεταφορά στο τσιπ. Επιτρέπουν επίσης την άμεση τροφοδοσία σε πραγματικό χρόνο, η οποίαφαίνεται προβληματικό στα φωτονικά τσιπ. Επιπλέον, παρέχουν μια πιο επεκτάσιμη αρχιτεκτονική και καλύτερη ενσωμάτωση των υπαρχουσών τεχνολογιών σε σύγκριση με προηγούμενες προσεγγίσεις, όπως τα παγιδευμένα ιόντα. Προς το παρόν, το μόνο μειονέκτημα αυτών των συστημάτων φαίνεται να είναι ο περιορισμένος χρόνος συνοχής τους (<100 µs). Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί ενσωματώνοντας το κύκλωμα QED με κυψέλες μνήμης περιστροφικού συνόλου ημιαγωγών (με κενές θέσεις υποκατεστημένες με άζωτο ή κρυστάλλους με πρόσμειξη σπάνιων γαιών), που μπορεί να παρέχει μεγάλο χρόνο συνοχής για την αποθήκευση κβαντικών δεδομένων. Αυτή η εφαρμογή αποτελεί επί του παρόντος αντικείμενο μεγάλης προσπάθειας από την επιστημονική κοινότητα.
Επικοινωνία πόλης
Η επικοινωνία τηλεμεταφοράς σε κλίμακα πόλης (αρκετά χιλιόμετρα) θα μπορούσε να αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας οπτικές λειτουργίες. Με αρκετά χαμηλές απώλειες, αυτά τα συστήματα παρέχουν υψηλές ταχύτητες και εύρος ζώνης. Μπορούν να επεκταθούν από εφαρμογές επιτραπέζιου υπολογιστή σε συστήματα μεσαίας εμβέλειας που λειτουργούν μέσω του αέρα ή οπτικών ινών, με πιθανή ενσωμάτωση με την κβαντική μνήμη συνόλου. Μεγαλύτερες αποστάσεις αλλά χαμηλότερες ταχύτητες μπορούν να επιτευχθούν με μια υβριδική προσέγγιση ή με την ανάπτυξη καλών επαναληπτών που βασίζονται σε διαδικασίες μη Gauss.
Επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων
Η κβαντική τηλεμεταφορά μεγάλων αποστάσεων (πάνω από 100 km) είναι μια ενεργή περιοχή, αλλά εξακολουθεί να υποφέρει από ένα ανοιχτό πρόβλημα. qubit πόλωσης -οι καλύτεροι φορείς για τηλεμεταφορά χαμηλής ταχύτητας μέσω συνδέσεων μακρών ινών και μέσω του αέρα, αλλά το πρωτόκολλο είναι επί του παρόντος πιθανολογικό λόγω ελλιπούς ανίχνευσης Bell.
Ενώ η πιθανολογική τηλεμεταφορά και οι εμπλοκές είναι αποδεκτές για προβλήματα όπως η απόσταξη εμπλοκής και η κβαντική κρυπτογραφία, αυτό είναι σαφώς διαφορετικό από την επικοινωνία, στην οποία η είσοδος πρέπει να διατηρηθεί πλήρως.
Αν αποδεχτούμε αυτήν την πιθανολογική φύση, τότε οι δορυφορικές υλοποιήσεις είναι εντός των ορίων της σύγχρονης τεχνολογίας. Εκτός από την ενσωμάτωση των μεθόδων παρακολούθησης, το κύριο πρόβλημα είναι οι υψηλές απώλειες που προκαλούνται από την εξάπλωση της δέσμης. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί σε μια διαμόρφωση όπου η εμπλοκή κατανέμεται από τον δορυφόρο σε επίγεια τηλεσκόπια μεγάλου διαφράγματος. Υποθέτοντας ένα διάφραγμα δορυφόρου 20 cm σε υψόμετρο 600 km και ένα διάφραγμα τηλεσκοπίου 1 m στο έδαφος, μπορεί να αναμένεται περίπου 75 dB απώλεια κατερχόμενης ζεύξης, η οποία είναι μικρότερη από την απώλεια 80 dB στο επίπεδο του εδάφους. Οι υλοποιήσεις από το έδαφος σε δορυφόρο ή από δορυφόρο σε δορυφόρο είναι πιο περίπλοκες.
Κβαντική μνήμη
Η μελλοντική χρήση της τηλεμεταφοράς ως μέρος ενός κλιμακούμενου δικτύου εξαρτάται άμεσα από την ενσωμάτωσή του με την κβαντική μνήμη. Το τελευταίο θα πρέπει να έχει εξαιρετική διεπαφή ακτινοβολίας σε ύλη όσον αφορά την απόδοση μετατροπής, την ακρίβεια εγγραφής και ανάγνωσης, τον χρόνο αποθήκευσης και το εύρος ζώνης, την υψηλή ταχύτητα και την ικανότητα αποθήκευσης. ΠρώταΜε τη σειρά του, αυτό θα επιτρέψει στη χρήση ρελέ να επεκτείνει την επικοινωνία πολύ πέρα από την άμεση μετάδοση χρησιμοποιώντας κωδικούς διόρθωσης σφαλμάτων. Η ανάπτυξη μιας καλής κβαντικής μνήμης θα επέτρεπε όχι μόνο τη διανομή της εμπλοκής στο δίκτυο και την επικοινωνία τηλεμεταφοράς, αλλά και την επεξεργασία των αποθηκευμένων πληροφοριών με συνεκτικό τρόπο. Τελικά, αυτό θα μπορούσε να μετατρέψει το δίκτυο σε έναν παγκοσμίως κατανεμημένο κβαντικό υπολογιστή ή τη βάση για ένα μελλοντικό κβαντικό Διαδίκτυο.
Υποσχόμενες εξελίξεις
Τα ατομικά σύνολα θεωρούνται παραδοσιακά ελκυστικά λόγω της αποτελεσματικής μετατροπής φωτός σε ύλη και της διάρκειας ζωής τους σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, η οποία μπορεί να είναι τόσο υψηλή όσο τα 100 ms που απαιτούνται για τη μετάδοση του φωτός σε παγκόσμια κλίμακα. Ωστόσο, σήμερα αναμένονται πιο ελπιδοφόρες εξελίξεις με βάση τα συστήματα ημιαγωγών, όπου η εξαιρετική κβαντική μνήμη spin-ensemble είναι άμεσα ενσωματωμένη με την κλιμακούμενη αρχιτεκτονική κυκλώματος QED. Αυτή η μνήμη μπορεί όχι μόνο να επεκτείνει το χρόνο συνοχής του κυκλώματος QED, αλλά επίσης να παρέχει μια διεπαφή οπτικού μικροκυμάτων για τη διαμετατροπή φωτονίων οπτικών τηλεπικοινωνιών και μικροκυμάτων τσιπ.
Έτσι, οι μελλοντικές ανακαλύψεις επιστημόνων στον τομέα του κβαντικού διαδικτύου είναι πιθανό να βασίζονται σε οπτική επικοινωνία μεγάλης εμβέλειας σε συνδυασμό με κόμβους ημιαγωγών για την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών.
