Quantum teleportation är ett av de viktigaste protokollen inom kvantinformation. Baserat på den fysiska resursen för intrassling, fungerar den som huvudelementet i olika informationsuppgifter och är en viktig komponent i kvantteknologier, och spelar en nyckelroll i vidareutvecklingen av kvantberäkningar, nätverk och kommunikation.
Från science fiction till upptäckten av forskare
Det har gått mer än två decennier sedan upptäckten av kvantteleportation, vilket kanske är en av de mest intressanta och spännande konsekvenserna av kvantmekanikens "konstighet". Innan dessa stora upptäckter gjordes, hörde denna idé till science fiction-området. Termen "teleportation" myntades första gången 1931 av Charles H. Fort och har sedan dess använts för att hänvisa till den process genom vilken kroppar och föremål överförs från en plats till en annan utan att faktiskt resa avståndet mellan dem.
1993 publicerades en artikel som beskrev kvantinformationsprotokollet, kallat"kvantteleportering", som delade flera av funktionerna som anges ovan. I den mäts det okända tillståndet för ett fysiskt system och reproduceras sedan eller "återmonteras" på en avlägsen plats (de fysiska delarna av det ursprungliga systemet förblir på överföringsplatsen). Denna process kräver klassiska kommunikationsmedel och utesluter FTL-kommunikation. Det behöver en resurs av förveckling. I själva verket kan teleportering ses som ett kvantinformationsprotokoll som tydligast visar karaktären av intrassling: utan dess närvaro skulle ett sådant överföringstillstånd inte vara möjligt inom ramen för de lagar som beskriver kvantmekaniken.
Teleportation spelar en aktiv roll i utvecklingen av informationsvetenskap. Å ena sidan är det ett konceptuellt protokoll som spelar en avgörande roll i utvecklingen av formell kvantinformationsteori, och å andra sidan är det en grundläggande komponent i många teknologier. Kvantrepeatern är en viktig del av kommunikation över långa avstånd. Quantum switch-teleportation, dimensionsbaserad beräkning och kvantnätverk är alla derivat av det. Det används också som ett enkelt verktyg för att studera "extrem" fysik angående tidskurvor och svarta håls avdunstning.
Idag har kvantteleportation bekräftats i laboratorier runt om i världen med många olika substrat och teknologier, inklusive fotoniska qubits, kärnmagnetisk resonans, optiska lägen, grupper av atomer, fångade atomer ochhalvledarsystem. Enastående resultat har uppnåtts inom området för teleportering, experiment med satelliter kommer. Dessutom har försök börjat skala upp till mer komplexa system.
Teleportering av qubits
Quantum teleportation beskrevs först för tvånivåsystem, de så kallade qubits. Protokollet betraktar två avlägsna parter, kallade Alice och Bob, som delar 2 qubits, A och B, i ett rent intrasslat tillstånd, även kallat ett Bell-par. Vid ingången får Alice ytterligare en qubit a, vars tillstånd ρ är okänt. Hon utför sedan en gemensam kvantmätning som kallas Bell-detektion. Det krävs a och A till en av de fyra Bell-tillstånden. Som ett resultat försvinner tillståndet för Alices ingående qubit under mätningen, och Bobs B qubit projiceras samtidigt på Р†kρP k. I det sista skedet av protokollet skickar Alice det klassiska resultatet av sin mätning till Bob, som använder Pauli-operatorn Pk för att återställa den ursprungliga ρ.
Initi altillståndet för Alices qubit anses vara okänt, eftersom annars protokollet reduceras till dess fjärrmätning. Alternativt kan den själv vara en del av ett större sammansatt system som delas med en tredje part (i vilket fall kräver framgångsrik teleportering att alla korrelationer med den tredje parten återges).
Ett typiskt kvantteleportationsexperiment antar att initi altillståndet är rent och tillhör ett begränsat alfabet,till exempel Blochsfärens sex poler. I närvaro av dekoherens kan kvaliteten på det rekonstruerade tillståndet kvantifieras genom teleporteringsnoggrannheten F ∈ [0, 1]. Detta är noggrannheten mellan tillstånden Alice och Bob, i genomsnitt över alla Bell-detekteringsresultat och det ursprungliga alfabetet. Vid låga noggrannhetsvärden finns det metoder som tillåter ofullkomlig teleportering utan att använda en obfuskerad resurs. Till exempel kan Alice direkt mäta sitt initiala tillstånd genom att skicka resultaten till Bob för att förbereda det resulterande tillståndet. Denna mätnings-förberedande strategi kallas "klassisk teleportering". Den har en maximal precision på Fclass=2/3 för ett godtyckligt inmatningstillstånd, vilket motsvarar ett alfabet av ömsesidigt opartiska tillstånd, såsom de sex polerna i en Bloch-sfär.
En tydlig indikation på användningen av kvantresurser är alltså noggrannhetsvärdet F> Fclass.
Inte en enda qubit
Enligt kvantfysiken är teleportering inte begränsad till qubits, den kan inkludera flerdimensionella system. För varje finit dimension d kan man formulera ett ide alt teleporteringsschema med en bas av maxim alt intrasslade tillståndsvektorer, som kan erhållas från ett givet maxim alt intrasslat tillstånd och en bas {Uk} av enhetsoperatörer som uppfyller tr(U †j Uk)=dδj, k . Ett sådant protokoll kan konstrueras för vilken ändlig dimensionell Hilbert som helstutrymmen av den sk. diskreta variabla system.
Dessutom kan kvantteleportation också utökas till system med ett oändligt dimensionellt Hilbert-utrymme, så kallade kontinuerliga variabla system. Som regel realiseras de av optiska bosoniska lägen, vars elektriska fält kan beskrivas av kvadraturoperatorer.
Hastighets- och osäkerhetsprincip
Vad är kvantteleporteringens hastighet? Information sänds med en hastighet som liknar den för samma mängd klassisk överföring - kanske med ljusets hastighet. Teoretiskt kan den användas på sätt som den klassiska inte kan - till exempel vid kvantberäkning, där data endast är tillgänglig för mottagaren.
Bror kvantteleportering mot osäkerhetsprincipen? Förr i tiden togs idén om teleportering inte särskilt seriöst av forskare eftersom det ansågs bryta mot principen att någon mät- eller skanningsprocess inte skulle extrahera all information om en atom eller annat objekt. Enligt osäkerhetsprincipen gäller att ju mer noggrant ett objekt skannas, desto mer påverkas det av scanningsprocessen, tills en punkt nås där objektets ursprungliga tillstånd kränks i sådan utsträckning att det inte längre är möjligt att få tillräckligt med information för att skapa en exakt kopia. Detta låter övertygande: om en person inte kan extrahera information från ett objekt för att skapa en perfekt kopia, kan den sista inte göras.
Quantum teleportation for dummies
Men sex forskare (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez och William Wuthers) hittade en väg runt denna logik genom att använda kvantmekanikens berömda och paradoxala egenskap som kallas Einstein-Podolsky- Rosen effekt. De hittade ett sätt att skanna en del av informationen om det teleporterade objektet A, och överföra resten av den overifierade delen genom den nämnda effekten till ett annat objekt C, som aldrig har varit i kontakt med A.
Vidare, genom att applicera ett inflytande på C som beror på den skannade informationen, kan du sätta C i tillstånd A innan du skannar. A själv är inte längre i samma tillstånd, eftersom den har förändrats helt av skanningsprocessen, så det som har uppnåtts är teleportering, inte replikering.
Kamp för räckvidd
- Den första kvantteleporteringen utfördes 1997 nästan samtidigt av forskare från universitetet i Innsbruck och universitetet i Rom. Under experimentet ändrades den ursprungliga fotonen, som har en polarisation, och en av paret av intrasslade fotoner, på ett sådant sätt att den andra fotonen fick polariseringen av den ursprungliga. I det här fallet var båda fotonerna på avstånd från varandra.
- Under 2012 ägde ytterligare en kvantteleportation rum (Kina, University of Science and Technology) genom en hög bergssjö på ett avstånd av 97 km. Ett team av forskare från Shanghai, ledd av Huang Yin, lyckades utveckla en målsökningsmekanism som gjorde det möjligt att exakt rikta strålen.
- I september samma år genomfördes en rekordkvantteleportering på 143 km. Österrikiska vetenskapsmän från Österrikiska vetenskapsakademin och universitetetWien, ledd av Anton Zeilinger, överförde framgångsrikt kvantstater mellan de två Kanarieöarna La Palma och Teneriffa. Experimentet använde två optiska kommunikationslinjer i öppen rymd, kvantum och klassisk, frekvensokorrelerad polarisation intrasslade par källfotoner, ultralågt brus enfotondetektorer och kopplad klocksynkronisering.
- Under 2015 överförde forskare från US National Institute of Standards and Technology för första gången information över en sträcka på mer än 100 km via optisk fiber. Detta blev möjligt tack vare singelfotondetektorer skapade vid institutet, med supraledande nanotrådar gjorda av molybdensilicid.
Det är tydligt att det ideala kvantsystemet eller teknologin ännu inte existerar och att framtidens stora upptäckter ännu inte kommer. Ändå kan man försöka identifiera möjliga kandidater i specifika tillämpningar av teleportering. Lämplig hybridisering av dessa, givet ett kompatibelt ramverk och metoder, skulle kunna ge den mest lovande framtiden för kvantteleportering och dess tillämpningar.
Korta avstånd
Teleportering över korta avstånd (upp till 1 m) som ett kvantberäkningsundersystem är lovande för halvledarenheter, varav det bästa är QED-schemat. Speciellt kan supraledande transmon-qubits garantera deterministisk och högprecision på chip-teleportering. De tillåter också direktmatning i re altid, vilketser problematiskt ut på fotoniska chips. Dessutom ger de en mer skalbar arkitektur och bättre integration av befintliga teknologier jämfört med tidigare tillvägagångssätt som fångade joner. För närvarande verkar den enda nackdelen med dessa system vara deras begränsade koherenstid (<100 µs). Detta problem kan lösas genom att integrera QED-kretsen med halvledarspin-ensemble-minnesceller (med kväve-substituerade vakanser eller sällsynta jordartsmetaller-dopade kristaller), vilket kan ge en lång koherenstid för kvantdatalagring. Denna implementering är för närvarande föremål för stora ansträngningar från forskarsamhället.
Stadskommunikation
Teleportationskommunikation i stadsskala (flera kilometer) skulle kunna utvecklas med hjälp av optiska lägen. Med tillräckligt låga förluster ger dessa system höga hastigheter och bandbredd. De kan utökas från stationära implementeringar till medelstora system som fungerar via luft eller fiber, med möjlig integration med ensemblekvantminne. Längre avstånd men lägre hastigheter kan uppnås med en hybridstrategi eller genom att utveckla bra repeatrar baserade på icke-Gaussiska processer.
Långdistanskommunikation
Långdistanskvantteleportering (över 100 km) är ett aktivt område, men lider fortfarande av ett öppet problem. Polarisationsqubits -de bästa operatörerna för låghastighetsteleportering över långa fiberlänkar och via luften, men protokollet är för närvarande probabilistiskt på grund av ofullständig Bell-detektering.
Även om probabilistisk teleportering och trasslingar är acceptabla för problem som intrasslingsdestillation och kvantkryptografi, skiljer sig detta klart från kommunikation, där indata måste bevaras helt.
Om vi accepterar denna probabilistiska natur, är satellitimplementationer inom räckhåll för modern teknik. Förutom integrationen av spårningsmetoder är huvudproblemet höga förluster orsakade av strålspridning. Detta kan övervinnas i en konfiguration där intrassling distribueras från satelliten till markbaserade teleskop med stor öppning. Om man antar en satellitöppning på 20 cm på 600 km höjd och en 1 m teleskopöppning på marken kan man förvänta sig cirka 75 dB nedlänksförlust, vilket är mindre än 80 dB-förlusten på marknivå. Jord-till-satellit- eller satellit-till-satellit-implementeringar är mer komplexa.
kvantminne
Den framtida användningen av teleportering som en del av ett skalbart nätverk beror direkt på dess integration med kvantminne. Den senare bör ha ett utmärkt gränssnitt mellan strålning och materia när det gäller konverteringseffektivitet, inspelnings- och avläsningsnoggrannhet, lagringstid och bandbredd, hög hastighet och lagringskapacitet. FörstI sin tur kommer detta att tillåta användningen av reläer för att utöka kommunikationen långt bortom direkt överföring med hjälp av felkorrigeringskoder. Utvecklingen av ett bra kvantminne skulle tillåta inte bara att distribuera intrassling över nätverket och teleporteringskommunikation, utan också att bearbeta den lagrade informationen på ett sammanhängande sätt. I slutändan kan detta göra nätverket till en glob alt distribuerad kvantdator eller grunden för ett framtida kvantinternet.
Lovande utveckling
Atomic ensembler har traditionellt sett ansetts attraktiva på grund av deras effektiva ljus-till-materia-omvandling och deras millisekundlivslängder, som kan vara så långa som de 100 ms som behövs för att sända ljus på en global skala. Men mer lovande utveckling förväntas idag baserad på halvledarsystem, där utmärkt spin-ensemble kvantminne är direkt integrerat med den skalbara QED-kretsarkitekturen. Detta minne kan inte bara förlänga koherenstiden för QED-kretsen, utan också tillhandahålla ett optiskt-mikrovågsgränssnitt för interkonvertering av optiska telekom- och chipmikrovågsfotoner.
Således kommer framtida upptäckter av forskare inom området kvantinternet troligen att baseras på optisk kommunikation med lång räckvidd i kombination med halvledarnoder för att bearbeta kvantinformation.
