Квантовата телепортация е един от най-важните протоколи в квантовата информация. Въз основа на физическия ресурс на заплитането, той служи като основен елемент от различни информационни задачи и е важен компонент на квантовите технологии, играейки ключова роля в по-нататъшното развитие на квантовите изчисления, мрежите и комуникацията.
От научна фантастика до откритието на учени
Изминаха повече от две десетилетия от откриването на квантовата телепортация, което е може би едно от най-интересните и вълнуващи последици от "странността" на квантовата механика. Преди да бъдат направени тези големи открития, тази идея принадлежеше към областта на научната фантастика. За първи път въведен през 1931 г. от Чарлз Х. Форт, терминът "телепортация" оттогава се използва за обозначаване на процеса, чрез който телата и обектите се прехвърлят от едно място на друго, без реално да се изминава разстоянието между тях.
През 1993 г. беше публикувана статия, описваща квантовия информационен протокол, наречен"квантова телепортация", която споделя няколко от изброените по-горе характеристики. При него неизвестното състояние на физическа система се измерва и впоследствие се възпроизвежда или „пресглобява“на отдалечено място (физическите елементи на оригиналната система остават на мястото на предаване). Този процес изисква класически средства за комуникация и изключва FTL комуникацията. Има нужда от ресурс за заплитане. Всъщност телепортацията може да се разглежда като квантов информационен протокол, който най-ясно демонстрира естеството на заплитането: без негово присъствие такова състояние на предаване не би било възможно в рамките на законите, които описват квантовата механика.
Телепортацията играе активна роля в развитието на информационните науки. От една страна, това е концептуален протокол, който играе решаваща роля в развитието на официалната теория на квантовата информация, а от друга страна е основен компонент на много технологии. Квантовият повторител е ключов елемент от комуникацията на дълги разстояния. Телепортацията с квантов превключвател, базираните на измерения изчисления и квантовите мрежи са производни на това. Използва се и като прост инструмент за изучаване на "екстремна" физика по отношение на кривите на времето и изпаряването на черната дупка.
Днес квантовата телепортация е потвърдена в лаборатории по целия свят, използващи много различни субстрати и технологии, включително фотонни кубити, ядрено-магнитен резонанс, оптични режими, групи от атоми, уловени атоми иполупроводникови системи. Постигнати са изключителни резултати в областта на телепортационния обхват, предстоят експерименти със спътници. Освен това започнаха опити за разширяване до по-сложни системи.
Телепортиране на кубити
Квантовата телепортация е описана за първи път за системи на две нива, така наречените кубити. Протоколът разглежда две отдалечени страни, наречени Алис и Боб, които споделят 2 кубита, А и В, в чисто заплетено състояние, наричано още двойка Бел. На входа на Алис е даден друг кубит a, чието състояние ρ е неизвестно. След това тя извършва съвместно квантово измерване, наречено Бел детекция. Отнема а и А до едно от четирите състояния на Бел. В резултат на това състоянието на входния кубит на Алис изчезва по време на измерването и B кубитът на Боб се проектира едновременно върху Р†kρP k. На последния етап от протокола Алис изпраща класическия резултат от измерването на Боб, който използва оператора на Паули Pk, за да възстанови оригиналното ρ.
Началното състояние на кубита на Алис се счита за неизвестно, защото в противен случай протоколът се свежда до дистанционното му измерване. Като алтернатива, самата тя може да бъде част от по-голяма съставна система, споделена с трета страна (в този случай успешната телепортация изисква възпроизвеждане на всички корелации с тази трета страна).
Типичен експеримент с квантова телепортация предполага, че първоначалното състояние е чисто и принадлежи към ограничена азбука,например шестте полюса на сферата на Блох. При наличие на декохерентност, качеството на реконструираното състояние може да се определи количествено с точността на телепортация F ∈ [0, 1]. Това е точността между състоянията на Алис и Боб, осреднена за всички резултати от откриването на звънеца и оригиналната азбука. При ниски стойности на точност има методи, които позволяват несъвършена телепортация без използване на замазан ресурс. Например, Алис може директно да измери първоначалното си състояние, като изпрати резултатите на Боб, за да подготви полученото състояние. Тази стратегия за измерване и подготовка се нарича "класическа телепортация". Той има максимална прецизност от Fclass=2/3 за произволно входно състояние, което е еквивалентно на азбука от взаимно безпристрастни състояния, като например шестте полюса на сфера на Блох.
По този начин, ясна индикация за използването на квантови ресурси е стойността на точността F> Fclass.
Нито един кубит
Според квантовата физика, телепортацията не е ограничена до кубити, тя може да включва многоизмерни системи. За всяко крайно измерение d може да се формулира идеална схема за телепортация, използвайки база от максимално заплетени вектори на състоянието, които могат да бъдат получени от дадено максимално заплетено състояние и основа {Uk} на унитарни оператори, удовлетворяващи tr(U †j Uk)=dδj, k . Такъв протокол може да бъде конструиран за всеки крайномерен Хилбертпространства на т.нар. дискретни променливи системи.
Освен това, квантовата телепортация може да бъде разширена и до системи с безкрайно хилбертово пространство, наречени системи с непрекъснати променливи. Като правило те се реализират от оптични бозонни режими, чието електрическо поле може да се опише с квадратурни оператори.
Принцип на скорост и несигурност
Каква е скоростта на квантовата телепортация? Информацията се предава със скорост, подобна на тази на същото количество класическо предаване - може би със скоростта на светлината. Теоретично може да се използва по начини, по които класическият не може - например в квантовите изчисления, където данните са достъпни само за получателя.
Квантовата телепортация нарушава ли принципа на несигурността? В миналото идеята за телепортация не се приемаше много сериозно от учените, тъй като се смяташе, че нарушава принципа, че всеки процес на измерване или сканиране няма да извлече цялата информация за атом или друг обект. Съгласно принципа на несигурността, колкото по-точно се сканира даден обект, толкова повече се влияе от процеса на сканиране, докато се достигне точка, в която първоначалното състояние на обекта е нарушено до такава степен, че вече не е възможно да се получи достатъчно информация, за да създадете точно копие. Това звучи убедително: ако човек не може да извлече информация от обект, за да създаде перфектно копие, тогава последното не може да бъде направено.
Квантова телепортация за манекени
Но шестима учени (Чарлз Бенет, Жил Брасар, Клод Крепо, Ричард Хоза, Ашер Перес и Уилям Вутерс) намериха начин да заобиколят тази логика, като използваха известната и парадоксална характеристика на квантовата механика, известна като Айнщайн-Подолски- Ефект на Розен. Те намериха начин да сканират част от информацията на телепортирания обект A и да прехвърлят останалата част от непроверената част чрез споменатия ефект към друг обект C, който никога не е бил в контакт с A.
Освен това, като приложите към C влияние, което зависи от сканираната информация, можете да поставите C в състояние A преди сканиране. Самият A вече не е в същото състояние, тъй като е бил напълно променен от процеса на сканиране, така че това, което е постигнато е телепортация, а не репликация.
Борба за обхват
- Първата квантова телепортация е извършена през 1997 г. почти едновременно от учени от университета в Инсбрук и университета в Рим. По време на експеримента оригиналният фотон, който има поляризация, и един от двойката заплетени фотони са променени по такъв начин, че вторият фотон получи поляризацията на оригиналния. В този случай и двата фотона са били на разстояние един от друг.
- През 2012 г. се осъществи друга квантова телепортация (Китай, Университет за наука и технологии) през високопланинско езеро на разстояние 97 км. Екип от учени от Шанхай, ръководен от Хуанг Ин, успя да разработи механизъм за насочване, който направи възможно точното насочване на лъча.
- През септември същата година е извършена рекордна квантова телепортация от 143 км. Австрийски учени от Австрийската академия на науките и университетаВиена, водена от Антон Цайлингер, успешно прехвърли квантови състояния между двата Канарски острова Ла Палма и Тенерифе. Експериментът използва две оптични комуникационни линии в открито пространство, квантова и класическа, некорелирана поляризация, заплетена двойка изворни фотони, ултра-нискошумни еднофотонни детектори и свързана синхронизация на часовника.
- През 2015 г. изследователи от Националния институт по стандарти и технологии на САЩ за първи път предават информация на разстояние над 100 км чрез оптично влакно. Това стана възможно благодарение на еднофотонни детектори, създадени в института, използващи свръхпроводящи нанопроводници, изработени от молибденов силицид.
Ясно е, че идеалната квантова система или технология все още не съществува и големите открития на бъдещето тепърва предстоят. Въпреки това, човек може да се опита да идентифицира възможни кандидати в специфични приложения на телепортация. Подходящата хибридизация на тях, като се има предвид съвместима рамка и методи, може да осигури най-обещаващото бъдеще за квантовата телепортация и нейните приложения.
Кратки разстояния
Телепортацията на къси разстояния (до 1 m) като квантова изчислителна подсистема е обещаваща за полупроводникови устройства, най-добрата от които е QED схемата. По-специално, свръхпроводящите трансмон кубити могат да гарантират детерминирана и високопрецизна телепортация на чип. Те също така позволяват директно подаване в реално време, коетоизглежда проблематично на фотонните чипове. В допълнение, те осигуряват по-мащабируема архитектура и по-добра интеграция на съществуващите технологии в сравнение с предишни подходи като уловени йони. Понастоящем единственият недостатък на тези системи изглежда е тяхното ограничено време на кохерентност (<100 µs). Този проблем може да бъде решен чрез интегриране на QED веригата с полупроводникови спин-ансамбълни паметови клетки (с азот-заместени свободни места или кристали, легирани с редки земни елементи), което може да осигури дълго време на кохерентност за съхранение на квантови данни. Тази реализация в момента е обект на много усилия от научната общност.
Градска комуникация
Телепортационната комуникация в градски мащаб (няколко километра) може да бъде разработена с помощта на оптични режими. С достатъчно ниски загуби, тези системи осигуряват високи скорости и честотна лента. Те могат да бъдат разширени от настолни реализации до системи със среден обхват, работещи по въздуха или по влакно, с възможна интеграция с ансамблова квантова памет. По-дълги разстояния, но по-ниски скорости могат да бъдат постигнати с хибриден подход или чрез разработване на добри повторители, базирани на негаусови процеси.
Комуникация на дълги разстояния
Квантовата телепортация на дълги разстояния (над 100 км) е активна зона, но все още страда от открит проблем. поляризационни кубити -най-добрите носители за телепортация с ниска скорост през дълги оптични връзки и по въздуха, но протоколът в момента е вероятностен поради непълно откриване на звън.
Докато вероятностната телепортация и заплитанията са приемливи за проблеми като дестилация на заплитане и квантова криптография, това е ясно различно от комуникацията, при която входът трябва да бъде напълно запазен.
Ако приемем тази вероятностна природа, тогава сателитните реализации са в обсега на съвременните технологии. В допълнение към интегрирането на методи за проследяване, основният проблем са високите загуби, причинени от разпространението на лъча. Това може да бъде преодоляно в конфигурация, при която заплитането се разпределя от спътника към наземните телескопи с голяма апертура. Ако приемем, че сателитна апертура е 20 cm на 600 km височина и 1 m отвор на телескопа на земята, може да се очаква около 75 dB загуба на връзката надолу, което е по-малко от загубата от 80 dB на нивото на земята. Реализациите от земя към сателит или от сателит към сателит са по-сложни.
Квантова памет
Бъдещото използване на телепортацията като част от мащабируема мрежа директно зависи от нейната интеграция с квантовата памет. Последният трябва да има отличен интерфейс радиация-материя по отношение на ефективност на преобразуване, точност на запис и четене, време за съхранение и честотна лента, висока скорост и капацитет за съхранение. ПървоОт своя страна това ще позволи използването на релета за разширяване на комуникацията далеч отвъд директното предаване, използвайки кодове за корекция на грешки. Разработването на добра квантова памет би позволило не само да се разпредели заплитане в мрежата и телепортационна комуникация, но и да се обработва съхранената информация по съгласуван начин. В крайна сметка това може да превърне мрежата в глобално разпределен квантов компютър или в основата за бъдещ квантов интернет.
Обещаващо развитие
Атомните ансамбли традиционно се считат за привлекателни поради тяхното ефективно преобразуване от светлина в материя и техния живот на милисекунди, който може да достигне 100 ms, необходими за предаване на светлина в глобален мащаб. Въпреки това, днес се очакват по-обещаващи разработки, базирани на полупроводникови системи, където отличната квантова памет на спин-ансамбъл е директно интегрирана с мащабируемата архитектура на QED верига. Тази памет може не само да удължи времето на кохерентност на QED веригата, но също така да осигури оптично-микровълнов интерфейс за взаимно преобразуване на оптично-телекомуникационни и микровълнови фотони на чип.
По този начин бъдещите открития на учените в областта на квантовия интернет вероятно ще се основават на оптична комуникация на далечни разстояния, съчетана с полупроводникови възли за обработка на квантовата информация.
