Quanteteleportation er en af de vigtigste protokoller inden for kvanteinformation. Baseret på den fysiske ressource for sammenfiltring, tjener den som hovedelementet i forskellige informationsopgaver og er en vigtig komponent i kvanteteknologier, der spiller en nøglerolle i den videre udvikling af kvantecomputere, netværk og kommunikation.
Fra science fiction til opdagelse af videnskabsmænd
Det er mere end to årtier siden opdagelsen af kvanteteleportation, som måske er en af de mest interessante og spændende konsekvenser af kvantemekanikkens "mærkelighed". Før disse store opdagelser blev gjort, tilhørte denne idé science fiction-området. Udtrykket "teleportation" blev først opfundet i 1931 af Charles H. Fort og er siden blevet brugt til at henvise til den proces, hvorved kroppe og genstande overføres fra et sted til et andet uden faktisk at rejse afstanden mellem dem.
I 1993 blev der publiceret en artikel, der beskrev kvanteinformationsprotokollen, kaldet"kvanteteleportation", som delte flere af funktionerne nævnt ovenfor. I den bliver den ukendte tilstand af et fysisk system målt og efterfølgende reproduceret eller "samlet" på et fjerntliggende sted (de fysiske elementer i det oprindelige system forbliver på transmissionsstedet). Denne proces kræver klassiske kommunikationsmidler og udelukker FTL-kommunikation. Det har brug for en ressource til sammenfiltring. Faktisk kan teleportering ses som en kvanteinformationsprotokol, der tydeligst demonstrerer sammenfiltringens natur: uden dens tilstedeværelse ville en sådan transmissionstilstand ikke være mulig inden for rammerne af de love, der beskriver kvantemekanikken.
Teleportation spiller en aktiv rolle i udviklingen af informationsvidenskab. På den ene side er det en konceptuel protokol, der spiller en afgørende rolle i udviklingen af formel kvanteinformationsteori, og på den anden side er den en grundlæggende komponent i mange teknologier. Kvanterepeateren er et nøgleelement i kommunikation over lange afstande. Quantum switch-teleportation, dimensionsbaseret computing og kvantenetværk er alle afledte af det. Det bruges også som et simpelt værktøj til at studere "ekstrem" fysik med hensyn til tidskurver og sorte huls fordampning.
I dag er kvanteteleportation blevet bekræftet i laboratorier rundt om i verden ved hjælp af mange forskellige substrater og teknologier, herunder fotoniske qubits, kernemagnetisk resonans, optiske tilstande, grupper af atomer, fangede atomer oghalvledersystemer. Fremragende resultater er opnået inden for teleporteringsrækkevidde, eksperimenter med satellitter er på vej. Derudover er forsøg begyndt at skalere op til mere komplekse systemer.
Teleportering af qubits
Quantum teleportation blev først beskrevet for to-niveau systemer, de såkaldte qubits. Protokollen betragter to fjerne parter, kaldet Alice og Bob, som deler 2 qubits, A og B, i en ren indviklet tilstand, også kaldet et Bell-par. Ved indgangen får Alice en anden qubit a, hvis tilstand ρ er ukendt. Hun udfører derefter en fælles kvantemåling kaldet Bell detection. Det tager a og A til en af de fire klokketilstande. Som et resultat forsvinder tilstanden af Alices input-qubit under målingen, og Bobs B-qubit projiceres samtidigt på Р†kρP k. I sidste fase af protokollen sender Alice det klassiske resultat af sin måling til Bob, som bruger Pauli-operatoren Pk til at gendanne den originale ρ.
Den indledende tilstand af Alice's qubit anses for at være ukendt, fordi ellers protokollen reduceres til dens fjernmåling. Alternativt kan det selv være en del af et større sammensat system, der deles med en tredjepart (i hvilket tilfælde en vellykket teleportering kræver reproduktion af alle korrelationer med den pågældende tredjepart).
Et typisk kvanteteleportationseksperiment antager, at starttilstanden er ren og tilhører et begrænset alfabet,for eksempel Bloch-kuglens seks poler. I nærvær af dekohærens kan kvaliteten af den rekonstruerede tilstand kvantificeres ved teleporteringsnøjagtigheden F ∈ [0, 1]. Dette er nøjagtigheden mellem staterne Alice og Bob, gennemsnittet over alle Bell-detektionsresultater og det originale alfabet. Ved lave nøjagtighedsværdier er der metoder, der tillader ufuldkommen teleportering uden at bruge en sløret ressource. For eksempel kan Alice direkte måle sin oprindelige tilstand ved at sende resultaterne til Bob for at forberede den resulterende tilstand. Denne måling-forberedelse strategi kaldes "klassisk teleportation". Den har en maksimal præcision på Fclass=2/3 for en vilkårlig inputtilstand, hvilket svarer til et alfabet af gensidigt upartiske tilstande, såsom de seks poler i en Bloch-kugle.
En klar indikation af brugen af kvanteressourcer er således nøjagtighedsværdien F> Fclass.
Ikke en eneste qubit
Ifølge kvantefysikken er teleportering ikke begrænset til qubits, den kan inkludere multidimensionelle systemer. For hver endelig dimension d kan man formulere et ideelt teleporteringsskema ved hjælp af en basis af maksim alt sammenfiltrede tilstandsvektorer, som kan opnås fra en given maksim alt sammenfiltret tilstand og en basis {Uk} af enhedsoperatører, der opfylder tr(U †j Uk)=dδj, k . En sådan protokol kan konstrueres for enhver finitdimensional Hilbertrum af den såkaldte. diskrete variable systemer.
Desuden kan kvanteteleportation også udvides til systemer med et uendeligt dimensionelt Hilbert-rum, kaldet kontinuerlige variable systemer. Som regel realiseres de af optiske bosoniske tilstande, hvis elektriske felt kan beskrives af kvadraturoperatorer.
Hastighed og usikkerhedsprincip
Hvad er hastigheden af kvanteteleportering? Information transmitteres med en hastighed svarende til den samme mængde klassisk transmission - måske med lysets hastighed. Teoretisk set kan den bruges på måder, som den klassiske ikke kan - for eksempel i kvanteberegning, hvor data kun er tilgængelig for modtageren.
Er kvanteteleportering i strid med usikkerhedsprincippet? Tidligere blev ideen om teleportation ikke taget særlig alvorligt af videnskabsmænd, fordi det blev anset for at overtræde princippet om, at enhver måle- eller scanningsproces ikke ville udtrække al information om et atom eller et andet objekt. Efter usikkerhedsprincippet gælder det, at jo mere præcist et objekt scannes, jo mere påvirkes det af scanningsprocessen, indtil der nås et punkt, hvor objektets oprindelige tilstand krænkes i en sådan grad, at det ikke længere er muligt at opnå nok information til at skabe en nøjagtig kopi. Dette lyder overbevisende: Hvis en person ikke kan udtrække information fra et objekt for at skabe en perfekt kopi, så kan den sidste ikke laves.
Quantum teleportation for dummies
Men seks videnskabsmænd (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez og William Wuthers) fandt en vej uden om denne logik ved at bruge det berømte og paradoksale træk ved kvantemekanikken kendt som Einstein-Podolsky- Rosen effekt. De fandt en måde at scanne en del af informationen om det teleporterede objekt A, og overføre resten af den ikke-verificerede del gennem den nævnte effekt til et andet objekt C, som aldrig har været i kontakt med A.
Yderligere, ved at anvende en indflydelse på C, der afhænger af den scannede information, kan du sætte C i tilstand A før scanning. A selv er ikke længere i samme tilstand, da den er blevet fuldstændig ændret af scanningsprocessen, så det, der er opnået, er teleportering, ikke replikering.
Kæmp om rækkevidde
- Den første kvanteteleportation blev udført i 1997 næsten samtidigt af videnskabsmænd fra universitetet i Innsbruck og universitetet i Rom. Under eksperimentet blev den oprindelige foton, som har en polarisering, og en af parret af sammenfiltrede fotoner, ændret på en sådan måde, at den anden foton modtog polariseringen af den oprindelige. I dette tilfælde var begge fotoner i en afstand fra hinanden.
- I 2012 fandt endnu en kvanteteleportation sted (Kina, University of Science and Technology) gennem en høj bjergsø i en afstand af 97 km. Et hold videnskabsmænd fra Shanghai, ledet af Huang Yin, formåede at udvikle en målsøgningsmekanisme, der gjorde det muligt at rette strålen nøjagtigt.
- I september samme år blev der udført en rekordkvanteteleportation på 143 km. Østrigske videnskabsmænd fra det østrigske videnskabsakademi og universitetetWien, ledet af Anton Zeilinger, overførte med succes kvantestater mellem de to kanariske øer La Palma og Tenerife. Eksperimentet brugte to optiske kommunikationslinjer i åbent rum, kvante og klassisk, frekvens-ukorreleret polarisation sammenfiltret par af kildefotoner, ultra-lav støj enkelt-foton-detektorer og koblet clock-synkronisering.
- I 2015 transmitterede forskere fra US National Institute of Standards and Technology for første gang information over en afstand på mere end 100 km via optisk fiber. Dette blev muligt takket være enkeltfoton-detektorer skabt på instituttet ved hjælp af superledende nanotråde lavet af molybdænsilicid.
Det er klart, at det ideelle kvantesystem eller -teknologi endnu ikke eksisterer, og fremtidens store opdagelser er endnu ikke kommet. Ikke desto mindre kan man forsøge at identificere mulige kandidater i specifikke anvendelser af teleportering. Passende hybridisering af disse, givet en kompatibel ramme og metoder, kunne give den mest lovende fremtid for kvanteteleportering og dens applikationer.
Korte distancer
Teleportation over korte afstande (op til 1 m) som et kvanteberegningsundersystem er lovende for halvlederenheder, hvoraf det bedste er QED-skemaet. Især kan superledende transmon-qubits garantere deterministisk og højpræcision on-chip-teleportation. De tillader også direkte feed i re altid, hvilketser problematisk ud på fotoniske chips. Derudover giver de en mere skalerbar arkitektur og bedre integration af eksisterende teknologier sammenlignet med tidligere tilgange såsom fangede ioner. På nuværende tidspunkt synes den eneste ulempe ved disse systemer at være deres begrænsede kohærenstid (<100 µs). Dette problem kan løses ved at integrere QED-kredsløbet med halvleder-spin-ensemble-hukommelsesceller (med nitrogen-substituerede ledige pladser eller sjældne jordarters dopede krystaller), som kan give en lang sammenhængstid for kvantedatalagring. Denne implementering er i øjeblikket genstand for stor indsats fra det videnskabelige samfund.
Bykommunikation
Teleportationskommunikation i byskala (adskillige kilometer) kunne udvikles ved hjælp af optiske tilstande. Med tilstrækkeligt lave tab giver disse systemer høje hastigheder og båndbredde. De kan udvides fra desktop-implementeringer til mellemdistance-systemer, der opererer over luften eller fiber, med mulig integration med ensemble kvantehukommelse. Længere afstande, men lavere hastigheder kan opnås med en hybrid tilgang eller ved at udvikle gode repeatere baseret på ikke-Gaussiske processer.
Langdistancekommunikation
Langdistance kvanteteleportation (over 100 km) er et aktivt område, men lider stadig af et åbent problem. Polarisations-qubits -de bedste transportører til lavhastighedsteleportering over lange fiberforbindelser og over luften, men protokollen er i øjeblikket sandsynlig på grund af ufuldstændig klokkedetektering.
Mens probabilistisk teleportering og sammenfiltringer er acceptable for problemer som forviklingsdestillation og kvantekryptografi, er dette klart forskelligt fra kommunikation, hvor input skal bevares fuldstændigt.
Hvis vi accepterer denne probabilistiske natur, så er satellitimplementeringer inden for rækkevidde af moderne teknologi. Ud over integrationen af sporingsmetoder er hovedproblemet store tab forårsaget af strålespredning. Dette kan overvindes i en konfiguration, hvor sammenfiltring fordeles fra satellitten til jordbaserede teleskoper med stor blændeåbning. Hvis man antager en satellitblænde på 20 cm i 600 km højde og en 1 m teleskopåbning på jorden, kan der forventes omkring 75 dB downlink-tab, hvilket er mindre end 80 dB-tabet ved jordniveau. Jord-til-satellit- eller satellit-til-satellit-implementeringer er mere komplekse.
Quantum memory
Den fremtidige brug af teleportering som en del af et skalerbart netværk afhænger direkte af dets integration med kvantehukommelse. Sidstnævnte skulle have en fremragende stråling-til-stof-grænseflade med hensyn til konverteringseffektivitet, optagelses- og læsenøjagtighed, lagringstid og båndbredde, høj hastighed og lagringskapacitet. FørstTil gengæld vil dette tillade brugen af relæer til at udvide kommunikationen langt ud over direkte transmission ved hjælp af fejlkorrektionskoder. Udviklingen af en god kvantehukommelse ville tillade ikke kun at distribuere sammenfiltring over netværket og teleportationskommunikation, men også at behandle den lagrede information på en sammenhængende måde. I sidste ende kan dette gøre netværket til en glob alt distribueret kvantecomputer eller grundlaget for et fremtidigt kvanteinternet.
Lovende udvikling
Atomiske ensembler er traditionelt blevet betragtet som attraktive på grund af deres effektive lys-til-stof-konvertering og deres millisekunders levetid, som kan være så høj som de 100 ms, der er nødvendig for at transmittere lys på global skala. Der forventes dog mere lovende udviklinger i dag baseret på halvledersystemer, hvor fremragende spin-ensemble kvantehukommelse er direkte integreret med den skalerbare QED-kredsløbsarkitektur. Denne hukommelse kan ikke kun forlænge kohærenstiden for QED-kredsløbet, men også give en optisk-mikrobølgegrænseflade til interkonvertering af optiske-telekom- og chipmikrobølgefotoner.
Således vil de fremtidige opdagelser af videnskabsmænd inden for kvanteinternet sandsynligvis være baseret på langrækkende optisk kommunikation kombineret med halvlederknuder til at behandle kvanteinformation.
