Kvantová teleportácia je jedným z najdôležitejších protokolov kvantovej informácie. Na základe fyzického zdroja zapletenia slúži ako hlavný prvok rôznych informačných úloh a je dôležitou súčasťou kvantových technológií, pričom zohráva kľúčovú úlohu v ďalšom rozvoji kvantových počítačov, sietí a komunikácie.
Od sci-fi k objavom vedcov
Prešli viac ako dve desaťročia od objavu kvantovej teleportácie, ktorá je možno jedným z najzaujímavejších a najvzrušujúcejších dôsledkov „zvláštnosti“kvantovej mechaniky. Pred týmito veľkými objavmi patrila táto myšlienka do oblasti sci-fi. Termín „teleportácia“, ktorý prvýkrát vytvoril v roku 1931 Charles H. Fort, sa odvtedy používa na označenie procesu, pri ktorom sa telá a predmety prenášajú z jedného miesta na druhé bez toho, aby skutočne prekonali vzdialenosť medzi nimi.
V roku 1993 bol publikovaný článok popisujúci kvantový informačný protokol, tzv.„kvantovú teleportáciu“, ktorá zdieľala niekoľko funkcií uvedených vyššie. V ňom sa meria neznámy stav fyzického systému a následne sa reprodukuje alebo „znovu zostavuje“na vzdialenom mieste (fyzické prvky pôvodného systému zostávajú na mieste prenosu). Tento proces vyžaduje klasické komunikačné prostriedky a vylučuje FTL komunikáciu. Potrebuje zdroj zapletenia. Teleportáciu možno v skutočnosti vnímať ako kvantový informačný protokol, ktorý najjasnejšie demonštruje povahu zapletenia: bez jeho prítomnosti by takýto stav prenosu nebol možný v rámci zákonov, ktoré popisujú kvantovú mechaniku.
Teleportácia zohráva aktívnu úlohu vo vývoji informačnej vedy. Na jednej strane je to koncepčný protokol, ktorý zohráva rozhodujúcu úlohu vo vývoji formálnej kvantovej teórie informácie, a na druhej strane je základnou zložkou mnohých technológií. Kvantový opakovač je kľúčovým prvkom komunikácie na veľké vzdialenosti. Teleportácia kvantovým prepínačom, výpočty založené na dimenziách a kvantové siete sú jeho derivátmi. Používa sa tiež ako jednoduchý nástroj na štúdium „extrémnej“fyziky týkajúcej sa časových kriviek a vyparovania čiernych dier.
Kvantová teleportácia bola dnes potvrdená v laboratóriách po celom svete pomocou mnohých rôznych substrátov a technológií, vrátane fotonických qubitov, nukleárnej magnetickej rezonancie, optických režimov, skupín atómov, zachytených atómov apolovodičové systémy. Vynikajúce výsledky sa dosiahli v oblasti teleportačného dosahu, prichádzajú experimenty so satelitmi. Okrem toho sa začali pokusy o rozšírenie na zložitejšie systémy.
Teleportácia qubitov
Kvantová teleportácia bola prvýkrát opísaná pre dvojúrovňové systémy, takzvané qubity. Protokol berie do úvahy dve vzdialené strany, nazývané Alice a Bob, ktoré zdieľajú 2 qubity, A a B, v čistom zapletenom stave, nazývanom aj Bellov pár. Na vstupe dostane Alice ďalší qubit a, ktorého stav ρ nie je známy. Potom vykoná spoločné kvantové meranie nazývané detekcia Bell. Trvá a a do jedného zo štyroch Bellových stavov. Výsledkom je, že počas merania zmizne stav Alicinho vstupného qubitu a Bobov qubit B sa súčasne premietne na Р†kρP k. V poslednej fáze protokolu Alice pošle klasický výsledok svojho merania Bobovi, ktorý pomocou Pauliho operátora Pk obnoví pôvodné ρ.
Počiatočný stav Aliceho qubitu sa považuje za neznámy, pretože inak je protokol zredukovaný na jeho vzdialené meranie. Alternatívne môže byť sám osebe súčasťou väčšieho kompozitného systému zdieľaného s treťou stranou (v takom prípade si úspešná teleportácia vyžaduje reprodukovanie všetkých korelácií s touto treťou stranou).
Typický experiment s kvantovou teleportáciou predpokladá, že počiatočný stav je čistý a patrí do obmedzenej abecedy,napríklad šesť pólov Blochovej gule. V prítomnosti dekoherencie možno kvalitu rekonštruovaného stavu kvantifikovať presnosťou teleportácie F ∈ [0, 1]. Toto je presnosť medzi stavmi Alice a Bob, spriemerovaná zo všetkých výsledkov detekcie Bell a pôvodnej abecedy. Pri nízkych hodnotách presnosti existujú metódy, ktoré umožňujú nedokonalú teleportáciu bez použitia zahmleného zdroja. Napríklad Alice môže priamo zmerať svoj počiatočný stav odoslaním výsledkov Bobovi, aby pripravil výsledný stav. Táto stratégia merania a prípravy sa nazýva „klasická teleportácia“. Má maximálnu presnosť Fclass=2/3 pre ľubovoľný vstupný stav, ktorý je ekvivalentný abecede vzájomne nezaujatých stavov, ako je šesť pólov Blochovej gule.
Jasným znakom použitia kvantových zdrojov je teda hodnota presnosti F> Fclass.
Ani jeden qubit
Podľa kvantovej fyziky nie je teleportácia obmedzená na qubity, môže zahŕňať viacrozmerné systémy. Pre každú konečnú dimenziu d je možné sformulovať ideálnu teleportačnú schému pomocou základu maximálne zapletených stavových vektorov, ktoré možno získať z daného maximálne zapleteného stavu a základu {Uk} unitárne operátory spĺňajúce tr(U †j Uk)=dδj, k . Takýto protokol možno skonštruovať pre ľubovoľného Hilberta s konečnou dimenzioupriestory tzv. diskrétne variabilné systémy.
Okrem toho je možné kvantovú teleportáciu rozšíriť aj na systémy s nekonečne-dimenzionálnym Hilbertovým priestorom, ktoré sa nazývajú systémy so spojitou premennou. Spravidla sú realizované optickými bosonickými módmi, ktorých elektrické pole je možné opísať kvadratúrnymi operátormi.
Princíp rýchlosti a neistoty
Aká je rýchlosť kvantovej teleportácie? Informácie sa prenášajú rýchlosťou podobnou ako pri klasickom prenose – možno rýchlosťou svetla. Teoreticky sa dá využiť spôsobmi, ktoré klasický nedokáže – napríklad v kvantovej výpočtovej technike, kde sú dáta dostupné len príjemcovi.
Porušuje kvantová teleportácia princíp neistoty? V minulosti vedci nebrali myšlienku teleportácie veľmi vážne, pretože sa myslelo, že porušuje zásadu, že akýkoľvek proces merania alebo skenovania by nezískal všetky informácie o atóme alebo inom objekte. Podľa princípu neurčitosti platí, že čím presnejšie je objekt naskenovaný, tým viac je ovplyvnený procesom skenovania, až kým sa nedosiahne bod, kedy je pôvodný stav objektu narušený do takej miery, že už nie je možné získať dostatok informácií na vytvorenie presnej kópie. Znie to presvedčivo: ak človek nedokáže získať informácie z objektu na vytvorenie dokonalej kópie, potom nemožno vytvoriť poslednú.
Kvantová teleportácia pre figuríny
Ale šesť vedcov (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez a William Wuthers) našlo cestu okolo tejto logiky pomocou slávnej a paradoxnej vlastnosti kvantovej mechaniky známej ako Einstein-Podolsky- Rosenov efekt. Našli spôsob, ako naskenovať časť informácií teleportovaného objektu A a zvyšok neoverenej časti preniesť cez spomínaný efekt na iný objekt C, ktorý s A nikdy nebol v kontakte.
Ďalej použitím vplyvu na C, ktorý závisí od naskenovaných informácií, môžete pred skenovaním uviesť C do stavu A. Samotný A už nie je v rovnakom stave, pretože bol úplne zmenený procesom skenovania, takže to, čo bolo dosiahnuté, je teleportácia, nie replikácia.
Boj o rozsah
- Prvá kvantová teleportácia bola vykonaná v roku 1997 takmer súčasne vedcami z University of Innsbruck a University of Rome. Počas experimentu sa pôvodný fotón, ktorý má polarizáciu, a jeden z dvojice zapletených fotónov zmenili tak, že druhý fotón dostal polarizáciu pôvodného. V tomto prípade boli oba fotóny vo vzájomnej vzdialenosti.
- V roku 2012 sa uskutočnila ďalšia kvantová teleportácia (Čína, Univerzita vedy a techniky) cez vysokohorské jazero vo vzdialenosti 97 km. Tímu vedcov zo Šanghaja pod vedením Huang Yina sa podarilo vyvinúť navádzací mechanizmus, ktorý umožňoval presné nasmerovanie lúča.
- V septembri toho istého roku sa uskutočnila rekordná kvantová teleportácia 143 km. Rakúski vedci z Rakúskej akadémie vied a univerzityViedeň pod vedením Antona Zeilingera úspešne preniesla kvantové stavy medzi dva Kanárske ostrovy La Palma a Tenerife. Experiment využíval dve optické komunikačné linky v otvorenom priestore, kvantovú a klasickú, frekvenčne nekorelovaný polarizačný prepletený pár zdrojových fotónov, ultranízkošumové jednofotónové detektory a synchronizáciu viazaných hodín.
- V roku 2015 výskumníci z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie prvýkrát preniesli informácie cez optické vlákno na vzdialenosť viac ako 100 km. Bolo to možné vďaka jednofotónovým detektorom vytvoreným v inštitúte s použitím supravodivých nanodrôtov vyrobených zo silicidu molybdénu.
Je jasné, že ideálny kvantový systém alebo technológia ešte neexistuje a veľké objavy budúcnosti ešte len prídu. Napriek tomu sa možno pokúsiť identifikovať možných kandidátov v konkrétnych aplikáciách teleportácie. Ich vhodná hybridizácia, za predpokladu kompatibilného rámca a metód, by mohla poskytnúť najsľubnejšiu budúcnosť pre kvantovú teleportáciu a jej aplikácie.
Krátke vzdialenosti
Teleportácia na krátke vzdialenosti (do 1 m) ako kvantový výpočtový subsystém je sľubná pre polovodičové zariadenia, z ktorých najlepšia je schéma QED. Najmä supravodivé transmonové qubity môžu zaručiť deterministickú a vysoko presnú teleportáciu na čipe. Umožňujú tiež priamy prenos v reálnom čase, ktorýna fotonických čipoch vyzerá problematicky. Okrem toho poskytujú škálovateľnejšiu architektúru a lepšiu integráciu existujúcich technológií v porovnaní s predchádzajúcimi prístupmi, ako sú zachytené ióny. V súčasnosti sa zdá, že jedinou nevýhodou týchto systémov je ich obmedzený čas koherencie (<100 µs). Tento problém možno vyriešiť integráciou obvodu QED s polovodičovými pamäťovými bunkami so spinovým súborom (s voľnými miestami nahradenými dusíkom alebo kryštálmi dopovanými vzácnymi zeminami), ktoré môžu poskytnúť dlhý čas koherencie na ukladanie kvantových údajov. Táto implementácia je v súčasnosti predmetom veľkého úsilia vedeckej komunity.
Komunikácia v meste
Teleportačná komunikácia v mestskom meradle (niekoľko kilometrov) by mohla byť vyvinutá pomocou optických režimov. Pri dostatočne nízkych stratách poskytujú tieto systémy vysoké rýchlosti a šírku pásma. Môžu byť rozšírené z desktopových implementácií na systémy stredného dosahu fungujúce vzduchom alebo vláknom, s možnou integráciou s kompletnou kvantovou pamäťou. Väčšie vzdialenosti, ale nižšie rýchlosti možno dosiahnuť hybridným prístupom alebo vývojom dobrých opakovačov založených na negaussovských procesoch.
Komunikácia na diaľku
Kvantová teleportácia na diaľku (viac ako 100 km) je aktívna oblasť, no stále trpí otvoreným problémom. Polarizačné qubity -najlepšie nosiče pre nízkorýchlostnú teleportáciu cez dlhé optické spojenia a vzduchom, ale protokol je v súčasnosti pravdepodobný z dôvodu neúplnej detekcie Bell.
Zatiaľ čo pravdepodobnostná teleportácia a zapletenia sú prijateľné pre problémy, ako je destilácia zapletenia a kvantová kryptografia, je to zreteľne odlišné od komunikácie, pri ktorej musí byť vstup úplne zachovaný.
Ak prijmeme túto pravdepodobnostnú povahu, potom sú implementácie satelitov v dosahu moderných technológií. Okrem integrácie metód sledovania sú hlavným problémom vysoké straty spôsobené šírením lúča. To sa dá prekonať v konfigurácii, kde je spletenie distribuované zo satelitu do pozemných ďalekohľadov s veľkou apertúrou. Za predpokladu apertúry satelitu 20 cm v nadmorskej výške 600 km a otvoru teleskopu 1 m na zemi možno očakávať asi 75 dB stratu downlinku, čo je menej ako 80 dB strata na úrovni zeme. Implementácie typu zem-satelit alebo satelit-satelit sú zložitejšie.
Kvantová pamäť
Budúce využitie teleportácie ako súčasti škálovateľnej siete priamo závisí od jej integrácie s kvantovou pamäťou. Ten by mal mať vynikajúce rozhranie medzi radiáciou a hmotou z hľadiska účinnosti konverzie, presnosti záznamu a čítania, doby ukladania a šírky pásma, vysokej rýchlosti a kapacity úložiska. najprvNa druhej strane to umožní použitie relé na rozšírenie komunikácie ďaleko za rámec priameho prenosu pomocou kódov na opravu chýb. Vývoj dobrej kvantovej pamäte by umožnil nielen distribuovať zapletenie cez sieť a teleportačnú komunikáciu, ale aj spracovať uložené informácie koherentným spôsobom. Nakoniec by to mohlo zmeniť sieť na globálne distribuovaný kvantový počítač alebo základ pre budúci kvantový internet.
Sľubný vývoj
Atómové celky sa tradične považovali za atraktívne vďaka ich efektívnej konverzii svetla na hmotu a ich životnosti v milisekúndách, ktorá môže byť až 100 ms potrebných na prenos svetla v globálnom meradle. V súčasnosti sa však očakáva sľubnejší vývoj založený na polovodičových systémoch, kde je vynikajúca kvantová pamäť so spinovým súborom priamo integrovaná so škálovateľnou obvodovou architektúrou QED. Táto pamäť môže nielen predĺžiť čas koherencie obvodu QED, ale tiež poskytnúť opticko-mikrovlnné rozhranie na vzájomnú konverziu opticko-telekomunikačných a čipových mikrovlnných fotónov.
Budúce objavy vedcov v oblasti kvantového internetu budú teda pravdepodobne založené na optickej komunikácii na veľké vzdialenosti spojenej s polovodičovými uzlami na spracovanie kvantových informácií.
