Teleportimi kuantik është një nga protokollet më të rëndësishme në informacionin kuantik. Bazuar në burimin fizik të ndërthurjes, ai shërben si elementi kryesor i detyrave të ndryshme informacioni dhe është një komponent i rëndësishëm i teknologjive kuantike, duke luajtur një rol kyç në zhvillimin e mëtejshëm të llogaritjes kuantike, rrjeteve dhe komunikimit.
Nga fantashkenca tek zbulimi i shkencëtarëve
Kanë kaluar më shumë se dy dekada që nga zbulimi i teleportimit kuantik, i cili është ndoshta një nga pasojat më interesante dhe emocionuese të "çuditshmërisë" së mekanikës kuantike. Para se të bëheshin këto zbulime të mëdha, kjo ide i përkiste sferës së fantashkencës. I krijuar për herë të parë në vitin 1931 nga Charles H. Fort, termi "teleportim" është përdorur që atëherë për t'iu referuar procesit me anë të të cilit trupat dhe objektet transferohen nga një vend në tjetrin pa kaluar në fakt distancën ndërmjet tyre.
Në vitin 1993, u botua një artikull që përshkruan protokollin e informacionit kuantik, i quajtur"teleportimi kuantik", i cili ndante disa nga veçoritë e listuara më sipër. Në të, gjendja e panjohur e një sistemi fizik matet dhe më pas riprodhohet ose "rimontohet" në një vend të largët (elementet fizike të sistemit origjinal mbeten në vendin e transmetimit). Ky proces kërkon mjete klasike të komunikimit dhe përjashton komunikimin FTL. Ajo ka nevojë për një burim ngatërrese. Në fakt, teleportimi mund të shihet si një protokoll informacioni kuantik që tregon më qartë natyrën e ngatërresës: pa praninë e tij, një gjendje e tillë transmetimi nuk do të ishte e mundur brenda kornizës së ligjeve që përshkruajnë mekanikën kuantike.
Teleportimi luan një rol aktiv në zhvillimin e shkencës së informacionit. Nga njëra anë, është një protokoll konceptual që luan një rol vendimtar në zhvillimin e teorisë formale të informacionit kuantik, dhe nga ana tjetër, është një komponent themelor i shumë teknologjive. Përsëritësi kuantik është një element kyç i komunikimit në distanca të gjata. Teleportimi me switch kuantik, llogaritja e bazuar në dimensione dhe rrjetet kuantike janë të gjitha derivate të tij. Përdoret gjithashtu si një mjet i thjeshtë për të studiuar fizikën "ekstreme" në lidhje me kthesat e kohës dhe avullimin e vrimave të zeza.
Sot, teleportimi kuantik është konfirmuar në laboratorë në mbarë botën duke përdorur shumë substrate dhe teknologji të ndryshme, duke përfshirë kubitet fotonike, rezonancën magnetike bërthamore, mënyrat optike, grupet e atomeve, atomet e bllokuara dhesistemet gjysmëpërçuese. Janë arritur rezultate të jashtëzakonshme në fushën e gamës së teleportimit, eksperimentet me satelitët po vijnë. Përveç kësaj, kanë filluar përpjekjet për të shkallëzuar deri në sisteme më komplekse.
Teleportimi i kubiteve
Teleportimi kuantik fillimisht u përshkrua për sistemet me dy nivele, të ashtuquajturat kubit. Protokolli merr në konsideratë dy palë të largëta, të quajtura Alice dhe Bob, të cilët ndajnë 2 kubit, A dhe B, në një gjendje të pastër të ngatërruar, të quajtur gjithashtu një çift Bell. Në hyrje, Alice-s i jepet një kubit tjetër a, gjendja ρ e të cilit është e panjohur. Më pas ajo kryen një matje kuantike të përbashkët të quajtur zbulimi i ziles. Duhen a dhe A në një nga katër gjendjet Bell. Si rezultat, gjendja e kubitit të hyrjes së Alice-s zhduket gjatë matjes dhe kubiti B i Bobit projektohet njëkohësisht në Р†kρP k. Në fazën e fundit të protokollit, Alice i dërgon rezultatin klasik të matjes së saj Bobit, i cili përdor operatorin Pauli Pk për të rivendosur ρ origjinalin.
Gjendja fillestare e kubitit të Alice-s konsiderohet e panjohur, sepse përndryshe protokolli reduktohet në matjen e tij në distancë. Përndryshe, ai vetë mund të jetë pjesë e një sistemi më të madh të përbërë të ndarë me një palë të tretë (në këtë rast, teleportimi i suksesshëm kërkon riprodhimin e të gjitha korrelacioneve me atë palë të tretë).
Një eksperiment tipik teleportimi kuantik supozon se gjendja fillestare është e pastër dhe i përket një alfabeti të kufizuar,për shembull, gjashtë polet e sferës së Bloch. Në prani të dekoherencës, cilësia e gjendjes së rindërtuar mund të matet me saktësinë e teleportimit F ∈ [0, 1]. Kjo është saktësia midis gjendjeve të Alice dhe Bob, mesatarisht në të gjitha rezultatet e zbulimit të Bell dhe alfabetit origjinal. Me vlera të ulëta saktësie, ka metoda që lejojnë teleportim të papërsosur pa përdorur një burim të turbullt. Për shembull, Alice mund të matë drejtpërdrejt gjendjen e saj fillestare duke ia dërguar rezultatet Bobit për të përgatitur gjendjen që rezulton. Kjo strategji matje-përgatitjeje quhet “teleportim klasik”. Ka një saktësi maksimale prej Fclass=2/3 për një gjendje hyrëse arbitrare, e cila është ekuivalente me një alfabet të gjendjeve reciproke të paanshme, të tilla si gjashtë polet e një sfere Bloch.
Kështu, një tregues i qartë i përdorimit të burimeve kuantike është vlera e saktësisë F> Fklasë.
Asnjë kubit të vetëm
Sipas fizikës kuantike, teleportimi nuk kufizohet në kubit, ai mund të përfshijë sisteme shumëdimensionale. Për çdo dimension të fundëm d, mund të formulohet një skemë ideale teleportimi duke përdorur një bazë të vektorëve të gjendjes maksimalisht të ngatërruar, të cilët mund të merren nga një gjendje e caktuar e ngatërruar maksimalisht dhe një bazë {Uk} të operatorët unitarë që kënaqin tr(U †j Uk)=dδj, k . Një protokoll i tillë mund të ndërtohet për çdo Hilbert me dimensione të fundmehapësirat e të ashtuquajturave. sisteme të ndryshueshme diskrete.
Përveç kësaj, teleportimi kuantik mund të shtrihet edhe në sisteme me një hapësirë Hilbert me dimensione të pafundme, të quajtura sisteme me variabël të vazhdueshëm. Si rregull, ato realizohen nga mënyrat bosonike optike, fusha elektrike e të cilave mund të përshkruhet nga operatorët kuadratikë.
Parimi i shpejtësisë dhe pasigurisë
Sa është shpejtësia e teleportimit kuantik? Informacioni transmetohet me një shpejtësi të ngjashme me atë të së njëjtës sasi transmetimi klasik - ndoshta me shpejtësinë e dritës. Teorikisht, ajo mund të përdoret në mënyra që ajo klasike nuk mundet - për shembull, në llogaritjen kuantike, ku të dhënat janë të disponueshme vetëm për marrësin.
A shkel parimin e pasigurisë teleportimi kuantik? Në të kaluarën, ideja e teleportimit nuk u mor shumë seriozisht nga shkencëtarët, sepse mendohej se shkelte parimin që çdo proces matje ose skanimi nuk do të nxirrte të gjithë informacionin e një atomi ose objekti tjetër. Sipas parimit të pasigurisë, sa më saktë të skanohet një objekt, aq më shumë ndikohet nga procesi i skanimit, derisa të arrihet një pikë ku gjendja origjinale e objektit cenohet në atë masë sa të mos jetë më e mundur të merret informacion të mjaftueshëm për të krijuar një kopje të saktë. Kjo tingëllon bindëse: nëse një person nuk mund të nxjerrë informacion nga një objekt për të krijuar një kopje të përsosur, atëherë nuk mund të bëhet e fundit.
Teleportim kuantik për dummies
Por gjashtë shkencëtarë (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez dhe William Wuthers) gjetën një mënyrë rreth kësaj logjike duke përdorur tiparin e famshëm dhe paradoksal të mekanikës kuantike të njohur si Einstein-Podolsky- Efekti rosen. Ata gjetën një mënyrë për të skanuar një pjesë të informacionit të objektit të teleportuar A, dhe për të transferuar pjesën tjetër të pjesës së paverifikuar përmes efektit të përmendur në një objekt tjetër C, i cili nuk ka qenë kurrë në kontakt me A.
Më tej, duke aplikuar në C një ndikim që varet nga informacioni i skanuar, mund ta vendosni C në gjendjen A përpara se të skanoni. Vetë A nuk është më në të njëjtën gjendje, pasi është ndryshuar plotësisht nga procesi i skanimit, kështu që ajo që është arritur është teleportimi, jo përsëritja.
Lufta për diapazonin
- Teleportimi i parë kuantik u krye në vitin 1997 pothuajse njëkohësisht nga shkencëtarë nga Universiteti i Insbrukut dhe Universiteti i Romës. Gjatë eksperimentit, fotoni origjinal, i cili ka një polarizim, dhe një nga çiftet e fotoneve të ngatërruar, u ndryshuan në atë mënyrë që fotoni i dytë mori polarizimin e atij origjinal. Në këtë rast, të dy fotonet ishin në një distancë nga njëri-tjetri.
- Në vitin 2012 u zhvillua një tjetër teleportim kuantik (Kinë, Universiteti i Shkencës dhe Teknologjisë) përmes një liqeni malor të lartë në një distancë prej 97 km. Një ekip shkencëtarësh nga Shanghai, i udhëhequr nga Huang Yin, arriti të zhvillonte një mekanizëm të kthimit në shtëpi, i cili bëri të mundur që të drejtohej me saktësi trari.
- Në shtator të të njëjtit vit, u krye një teleportim kuantik rekord prej 143 km. Shkencëtarët austriakë nga Akademia Austriake e Shkencave dhe UniversitetiVjena, e udhëhequr nga Anton Zeilinger, transferoi me sukses gjendjet kuantike midis dy ishujve Kanarie të La Palma dhe Tenerife. Eksperimenti përdori dy linja komunikimi optike në hapësirën e hapur, kuantike dhe klasike, polarizim të pakorreluar me frekuencë të ngatërruar çift fotonesh burimi, detektorë me një foton me zhurmë ultra të ulët dhe sinkronizim të orës së bashku.
- Në vitin 2015, studiues nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë i SHBA-së për herë të parë transmetuan informacion në një distancë prej më shumë se 100 km nëpërmjet fibrës optike. Kjo u bë e mundur falë detektorëve me një foton të krijuar në institut, duke përdorur nanotela superpërçues të bërë nga silici i molibdenit.
Është e qartë se sistemi ose teknologjia ideale kuantike nuk ekziston ende dhe zbulimet e mëdha të së ardhmes nuk kanë ardhur ende. Sidoqoftë, mund të përpiqeni të identifikoni kandidatët e mundshëm në aplikacione specifike të teleportimit. Hibridizimi i përshtatshëm i këtyre, duke pasur parasysh një kornizë dhe metoda të përputhshme, mund të sigurojë të ardhmen më premtuese për teleportimin kuantik dhe aplikimet e tij.
Distanca të shkurtra
Teleportimi në distanca të shkurtra (deri në 1 m) si një nënsistem kompjuterik kuantik është premtues për pajisjet gjysmëpërçuese, më e mira prej të cilave është skema QED. Në veçanti, kubitët e transmonit superpërçues mund të garantojnë teleportim determinist dhe me saktësi të lartë në çip. Ato gjithashtu lejojnë ushqimin e drejtpërdrejtë në kohë reale, i ciliduket problematike në çipat fotonikë. Përveç kësaj, ato ofrojnë një arkitekturë më të shkallëzuar dhe integrim më të mirë të teknologjive ekzistuese në krahasim me qasjet e mëparshme si jonet e bllokuara. Aktualisht, e vetmja pengesë e këtyre sistemeve duket të jetë koha e tyre e kufizuar e koherencës (<100 µs). Ky problem mund të zgjidhet duke integruar qarkun QED me qelizat e memories së ansamblit gjysmëpërçues (me vende të lira të zëvendësuara me azot ose me kristale të rralla të dopuara nga toka), të cilat mund të ofrojnë një kohë koherence të gjatë për ruajtjen e të dhënave kuantike. Ky zbatim është aktualisht subjekt i shumë përpjekjeve nga komuniteti shkencor.
Komunikimi i qytetit
Komunikimi i teleportimit në një shkallë qyteti (disa kilometra) mund të zhvillohet duke përdorur mënyrat optike. Me humbje mjaft të ulëta, këto sisteme ofrojnë shpejtësi të lartë dhe gjerësi bande. Ato mund të zgjerohen nga zbatimet e desktopit në sistemet me rreze të mesme që operojnë në ajër ose fibër, me integrim të mundshëm me memorien kuantike të ansamblit. Distanca më të gjata por shpejtësi më të ulëta mund të arrihen me një qasje hibride ose duke zhvilluar përsëritës të mirë bazuar në proceset jo-gausiane.
Komunikimi në distancë
Teleportimi kuantik në distanca të gjata (mbi 100 km) është një zonë aktive, por ende vuan nga një problem i hapur. Kubitët e polarizimit -transportuesit më të mirë për teleportimin me shpejtësi të ulët mbi lidhje me fibra të gjata dhe në ajër, por protokolli aktualisht është i mundshëm për shkak të zbulimit jo të plotë të ziles.
Ndërsa teleportimi probabilistik dhe ndërthurjet janë të pranueshme për probleme të tilla si distilimi i ndërthurjes dhe kriptografia kuantike, kjo është qartësisht e ndryshme nga komunikimi, në të cilin hyrja duhet të ruhet plotësisht.
Nëse e pranojmë këtë natyrë probabiliste, atëherë zbatimet satelitore janë brenda mundësive të teknologjisë moderne. Përveç integrimit të metodave të gjurmimit, problemi kryesor janë humbjet e mëdha të shkaktuara nga përhapja e rrezeve. Kjo mund të kapërcehet në një konfigurim ku ngatërrimi shpërndahet nga sateliti në teleskopët me hapje të madhe me bazë tokësore. Duke supozuar një hapje satelitore prej 20 cm në 600 km lartësi dhe një hapje teleskopi 1 m në tokë, mund të pritet rreth 75 dB humbje e lidhjes poshtë, që është më pak se humbja prej 80 dB në nivelin e tokës. Zbatimet nga toka në satelit ose nga sateliti në satelit janë më komplekse.
Memorie kuantike
Përdorimi i ardhshëm i teleportimit si pjesë e një rrjeti të shkallëzuar varet drejtpërdrejt nga integrimi i tij me memorien kuantike. Kjo e fundit duhet të ketë një ndërfaqe të shkëlqyer rrezatimi në lëndë për sa i përket efikasitetit të konvertimit, saktësisë së regjistrimit dhe leximit, kohës së ruajtjes dhe gjerësisë së brezit, shpejtësisë së lartë dhe kapacitetit të ruajtjes. Së pariNga ana tjetër, kjo do të lejojë përdorimin e releve për të zgjeruar komunikimin shumë përtej transmetimit të drejtpërdrejtë duke përdorur kodet e korrigjimit të gabimeve. Zhvillimi i një memorie të mirë kuantike do të lejonte jo vetëm shpërndarjen e ndërlidhjes në rrjet dhe komunikimin e teleportimit, por edhe përpunimin e informacionit të ruajtur në një mënyrë koherente. Në fund të fundit, kjo mund ta kthejë rrjetin në një kompjuter kuantik të shpërndarë globalisht ose bazën për një internet kuantik të ardhshëm.
Zhvillime premtuese
Ansamblet atomike janë konsideruar tradicionalisht tërheqëse për shkak të konvertimit të tyre efikas dritë-në-materies dhe jetëgjatësisë së tyre milisekonda, e cila mund të jetë aq e lartë sa 100ms që nevojiten për të transmetuar dritën në shkallë globale. Megjithatë, sot priten zhvillime më premtuese bazuar në sistemet gjysmëpërçuese, ku memoria kuantike e shkëlqyer spin-ansambël është e integruar drejtpërdrejt me arkitekturën e shkallëzueshme të qarkut QED. Kjo memorie jo vetëm që mund të zgjasë kohën e koherencës së qarkut QED, por gjithashtu të sigurojë një ndërfaqe optike-mikrovalë për ndërthurjen e fotoneve të mikrovalës optike të telekomit dhe çipit.
Kështu, zbulimet e ardhshme të shkencëtarëve në fushën e internetit kuantike ka të ngjarë të bazohen në komunikimin optik me rreze të gjatë të shoqëruar me nyje gjysmëpërçuese për të përpunuar informacionin kuantik.
