Квантова телепортація: великі відкриття вчених-фізиків

Квантова телепортація є одним з найбільш важливих протоколів в квантової інформації. Грунтуючись на фізичному ресурсі заплутаності, вона служить головним елементом різних інформаційних завдань і являє собою важливу складову частину квантових технологій, граючи ключову роль в подальшому розвитку квантових обчислень, мереж і комунікації.

від наукової фантастики до відкриття вчених

Минуло вже більше двох десятиліть з моменту відкриття квантової телепортації, яка, можливо, є одним з найцікавіших і захоплюючих наслідків «дивацтва» квантової механіки. До того як були зроблені ці великі відкриття, дана ідея належала області наукової фантастики. Вперше придуманий в 1931 р Чарльзом Х. Фортом термін «телепортація» з тих пір використовується для позначення процесу, за допомогою якого тіла і об`єкти передаються з одного місця в інше, насправді не долаючи відстань між ними.

У 1993 році була опублікована стаття з описом протоколу квантової інформації, що отримав назву «квантова телепортація», який розділив кілька з перерахованих вище ознак. У ньому невідоме стан фізичної системи вимірюється і згодом відтворюється або «повторно збирається» в віддаленому місці (фізичні елементи вихідної системи залишаються в місці передачі). Цей процес вимагає класичних засобів зв`язку і виключає сверхсветовое комунікацію. Для нього необхідний ресурс заплутаності. Насправді телепортацію можна розглядати як протокол квантової інформації, який найбільш чітко демонструє характер заплутаності: без його присутності такий стан передачі не було б можливим у рамках законів, якими описується квантова механіка.

Телепортація відіграє активну роль у розвитку науки про інформацію. З одного боку, це концептуальний протокол, який грає вирішальну роль в розвитку формальної квантової теорії інформації, а з іншого він є фундаментальною складовою багатьох технологій. Квантовий повторювач - ключовий елемент комунікації на великі відстані. Телепортація квантових перемикачів, обчислення на основі вимірів і квантові мережі - все є її похідними. Вона використовується і в якості простого інструменту для вивчення «екстремальної» фізики, що стосується тимчасових кривих і випаровування чорних дір.

Сьогодні квантова телепортація підтверджена в лабораторіях у всьому світі з використанням безлічі різних субстратів і технологій, в тому числі фотонних кубітів, ядерного магнітного резонансу, оптичних мод, груп атомів, захоплених атомів і напівпровідникових систем. Видатні результати були досягнуті в області дальності телепортації, мають бути експерименти з супутниками. Крім того, почалися спроби масштабування до більш складних систем.

телепортація кубітів

Квантова телепортація була вперше описана для дворівневих систем, так званих кубітів. Протокол розглядає два віддалені боку, іменовані Алісою і Бобом, які поділяють 2 кубіта, А і В, що знаходяться в чистому заплутаному стані, також звані парою Белла. На вході Алісі дається ще один кубіт а, чий статок &rho- невідомо. Потім вона виконує спільне квантове вимір, який називається виявленням Белла. Воно переносить а й А в одне з чотирьох станів Белла. В результаті стан вхідного кубіта Аліси при вимірюванні зникає, а кубіт Боба B одночасно проектується на Р^&dagger-_k&rho-P_k. На останньому етапі протоколу Аліса передає класичний результат її виміру Бобу, який застосовує оператор Паулі P_k для відновлення вихідного &rho-.

Початковий стан кубіта Аліси вважається невідомим, так як в противному випадку протокол зводиться до його віддаленого виміру. Крім того, воно саме по собі може бути частиною більш великої складовою системи, розділеної з третьою стороною (в цьому випадку успішна телепортація вимагає відтворення всіх кореляцій з цієї третьою стороною).

Типовий експеримент з квантової телепортації приймає початковий стан чистим і належить до обмеженого алфавітом, наприклад, шести полюсів сфери Блоха. У присутності декогеренції якість реконструйованого стану може бути кількісно виражена точністю телепортації F &isin- [0, 1]. Це точність між станами Аліси і Боба, усереднені за всіма результатами виявлення Белла і вихідного алфавітом. При малих значеннях точності існують методи, що дозволяють провести недосконалу телепортацію без використання заплутаного ресурсу. Наприклад, Аліса може безпосередньо виміряти свій початковий стан, посилаючи результати Бобу для підготовки результуючого стану. Таку стратегію вимірювання-підготовки називають «класичної телепортацией». Вона має максимальну точність F_class = 2/3 для довільного вхідного стану, що еквівалентно алфавітом взаємно незміщене станів, таких як шість полюсів сфери Блоха.

Таким чином, чіткою ознакою використання квантових ресурсів є значення точності Fgt; F_class.

Чи не кубітом єдиним

як стверджує квантова фізика, телепортація не обмежується кубитами, вона може включати багатовимірні системи. Для кожного кінцевого виміру d можна сформулювати ідеальну схему телепортації, використовуючи базис максимально заплутаних векторів стану, який може бути отриманий з заданого максимально заплутаного стану і базису {U_k} Унітарних операторів, які відповідають tr (U^&dagger-_j U_k) = D&delta-_{j, k}. Такий протокол можна побудувати для будь-якого конечноразмерного гільбертовому просторі т. Н. дискретно-змінних систем.

Крім того, квантова телепортація може поширюватися і на системи з безкінечномірні Гільбертовим простором, званими безперервно-змінними системами. Як правило, вони реалізуються оптичними бозона модами, електричне поле яких можна описати квадратурними операторами.

Швидкість і принцип невизначеності

Яка швидкість при квантової телепортації? Інформація передається на швидкості, аналогічної швидкості передачі того ж кількості класичної - можливо, з швидкістю світла. Теоретично вона може бути використана таким чином, яким класична не може - наприклад, в квантових обчисленнях, де дані доступні тільки одержувачу.

Чи порушує квантова телепортація принцип невизначеності? У минулому ідея телепортації не надто серйозно сприймалася вченими, тому що вважалося, що вона порушує принцип, що забороняє будь-кому вимірювального або скануючого процесу витягувати всю інформацію атома або іншого об`єкта. Відповідно до принципу невизначеності, чим точніше об`єкт сканується, тим більше на нього впливає процес сканування, поки не буде досягнута точка, коли початковий стан об`єкта порушиться до такої міри, що більше не можна буде отримати достатньої кількості інформації для створення точної копії. Це звучить переконливо: якщо людина не може отримати відомості з об`єкта для створення ідеальної копії, то остання зроблена бути не може.

Квантова телепортація для чайників

Але шість вчених (Чарльз Беннет, Жиль Брассар, Клод Крепо, Річард Джоса, Ашер Перес і Вільям Вутерс) знайшли спосіб обійти цю логіку, використовуючи знамениту і парадоксальну особливість квантової механіки, відому як ефект Ейнштейна-Подольського-Розена. Вони знайшли спосіб відсканувати частина інформації телепортіруемого об`єкта А, а решту неперевірену частина за допомогою згаданого ефекту передати іншому об`єкту С, в контакті з А ніколи не перебував.

Надалі, шляхом застосування до C впливу, що залежить від відсканованої інформації, можна ввести С стан А до сканування. Сам А вже не в тому стані, так як повністю змінений процесом сканування, тому досягнуте є телепортацией, а не репликацией.

Боротьба за дальність

• Перша квантова телепортація була проведена в 1997 р майже одночасно вченими з Університету Інсбрука і Університету Риму. Під час експерименту вихідний фотон, що володіє поляризацією, і один з пари заплутаних фотонів піддалися зміні таким чином, що другий фотон отримав поляризацію вихідного. При цьому обидва фотона перебували на відстані один від одного.
• У 2012 р відбулася чергова квантова телепортація (Китай, Університет науки і технології) через високогірне озеро на відстань 97 км. Команді вчених з Шанхая на чолі з Хуаном Іінем вдалося розробити наводить механізм, який дозволив точно націлити пучок.
• У вересні того ж року була проведена рекордна квантова телепортація на 143 км. Австрійські вчені з Академії наук Австрії та Університету Відня під керівництвом Антона Цайлінгер успішно передали квантові стану між двома Канарськими островами Ла Палма і Тенеріфе. В експерименті використовувалися дві оптичні лінії зв`язку на відкритому просторі, квантумная і класична, частотно некорреліровани поляризационно заплутана пара фотонів-джерел, сверхнізкошумние однофотонні детектори і сцепленная тактова синхронізація.
• У 2015 р дослідники з американського Національного інституту стандартів і технології вперше зробили передачу інформації на відстань понад 100 км по оптоволокну. Це стало можливим завдяки створеним в інституті однофотонні детекторів, що використовують надпровідні нанопроводи з силіциду молібдену.

Зрозуміло, що ідеальної квантової системи або технології поки не існує і великі відкриття майбутнього ще попереду. Проте можна спробувати визначити можливих кандидатів в конкретних областях застосування телепортації. Відповідна їх гібридизація за умови сумісної бази і методів може забезпечити найбільш перспективне майбутнє для квантової телепортації і її застосувань.

короткі дистанції

Телепортація на короткі відстані (до 1 м) як підсистема квантових обчислень перспективна на напівпровідникових пристроях, кращим з яких є схема QED. Зокрема, надпровідні трансмоновие кубіти можуть гарантувати детерміновану і високоточну телепортацію на чіпі. Вони також дозволяють пряму подачу в режимі реального часу, яка виглядає проблематичною на фотонних чіпах. До того ж вони забезпечують більш масштабовану архітектуру і кращу інтеграцію існуючих технологій в порівнянні з попередніми підходами, такими як захоплені іони. В даний час єдиним недоліком цих систем, мабуть, є їх обмежений час когерентності (lt; 100 мкс). Ця проблема може бути вирішена за допомогою інтегрування схеми QED з напівпровідниковими спін-ансамблевих осередками пам`яті (з азотно-заміщеними вакансіями або легованими рідкоземельними елементами кристалами), які можуть забезпечити тривалий час когерентності для квантового зберігання даних. В даний час дана реалізація є предметом докладання великих зусиль наукової спільноти.

міська зв`язок

Телепортаціонних зв`язок в масштабі міста (кілька кілометрів) могла б розроблятися з використанням оптичних мод. При досить низьких втратах ці системи забезпечують високі швидкості і ширину смуги. Вони можуть бути розширені від настільних реалізацій до систем середньої дальності, що діють через ефір або оптоволокно, з можливою інтеграцією з ансамблевої квантової пам`яттю. Більш далекі відстані, але з більш низькими швидкостями можуть бути досягнуті за допомогою гібридного підходу або шляхом розробки хороших ретрансляторів, заснованих на негауссовских процесах.

дальня зв`язок

Міжміський квантова телепортація (понад 100 км) є активною областю, але як і раніше страждає від відкритої проблеми. Кубіти поляризації - кращі носії для низкоскоростной телепортації по довгих оптоволоконними лініями зв`язку і через ефір, але в даний час протокол є імовірнісним через неповне виявлення Белла.

Хоча імовірнісна телепортація і заплутаності прийнятні для таких завдань, як дистиляція заплутування і квантова криптографія, але це явно відрізняється від комунікації, в якій вхідні інформація повинні бути повністю збережена.

Якщо прийняти цей імовірнісний характер, то супутникові реалізації знаходяться в межах досяжності сучасних технологій. Крім інтеграції методів відстеження, основною проблемою стають високі втрати, викликані распливанія пучка. Це може бути подолане в конфігурації, де заплутаність розподілена від супутника до наземних телескопів з великою апертурою. Припускаючи апертуру супутника в 20 см при 600-км висоті і 1-м діафрагму телескопа на землі, можна очікувати близько 75 дБ втрат в каналі низхідній лінії зв`язку, що менше, ніж 80 дБ втрат на рівні землі. Реалізації «земля-супутник» або «супутник-супутник» є більш складними.

квантова пам`ять

Майбутнє використання телепортації в якості складової частини масштабируемой мережі прямо залежить від її інтеграції з квантової пам`яттю. Остання повинна володіти чудовим, з точки зору ефективності конверсії, інтерфейсом «випромінювання-матерія», точністю запису і зчитування, часом зберігання і пропускною спроможністю, високою швидкістю і ємністю накопичувача. В першу чергу це дозволить використовувати ретранслятори для розширення комунікації далеко за рамки прямої передачі з використанням кодів корекції помилок. Розвиток хорошою квантової пам`яті дозволило б не тільки розподілити заплутування по мережі і телепортаціонних комунікацію, але й складно обробляти збережену інформацію. В кінцевому підсумку, це може перетворити мережу у всесвітньо розподілений квантовий комп`ютер або основу для майбутнього квантового інтернету.

перспективні розробки

Атомні ансамблі традиційно вважалися привабливими через їх ефективного перетворення «світло-матерія» і їх мілісекунд термінів зберігання, які можуть досягати 100 мс, необхідних для передачі світла в глобальному масштабі. Проте більш перспективні розробки сьогодні очікуються на основі напівпровідникових систем, де відмінна спін-ансамблева квантова пам`ять прямо інтегрується з масштабованої архітектурою схеми QED. Ця пам`ять не тільки може продовжити час когерентності ланцюга QED, але і забезпечити оптико-мікрохвильової інтерфейс для взаємоперетворення оптико-телекомунікаційних і чіпових мікрохвильових фотонів.

Таким чином, майбутні відкриття вчених в області квантового інтернету, ймовірно, будуть засновані на дальньої оптичного зв`язку, поєднаної з напівпровідниковими вузлами для обробки квантової інформації.