Kvantová teleportace je jedním z nejdůležitějších protokolů v kvantové informaci. Na základě fyzického zdroje zapletení slouží jako hlavní prvek různých informačních úkolů a je důležitou složkou kvantových technologií, která hraje klíčovou roli v dalším rozvoji kvantových počítačů, sítí a komunikace.
Od sci-fi k objevům vědců
Od objevu kvantové teleportace, která je možná jedním z nejzajímavějších a nejzajímavějších důsledků „podivnosti“kvantové mechaniky, uplynulo více než dvě desetiletí. Než došlo k těmto velkým objevům, patřila tato myšlenka do říše sci-fi. Termín „teleportace“, poprvé vytvořený v roce 1931 Charlesem H. Fortem, se od té doby používá k označení procesu, kterým se těla a předměty přenášejí z jednoho místa na druhé, aniž by mezi nimi skutečně překonaly vzdálenost.
V roce 1993 byl publikován článek popisující protokol kvantové informace, tzv.„kvantová teleportace“, která sdílela několik funkcí uvedených výše. V něm je měřen neznámý stav fyzického systému a následně reprodukován nebo „znovu sestavován“na vzdáleném místě (fyzické prvky původního systému zůstávají v místě přenosu). Tento proces vyžaduje klasické komunikační prostředky a vylučuje FTL komunikaci. Potřebuje zdroj zapletení. Ve skutečnosti lze teleportaci vnímat jako kvantový informační protokol, který nejjasněji demonstruje povahu zapletení: bez jeho přítomnosti by takový stav přenosu nebyl možný v rámci zákonů popisujících kvantovou mechaniku.
Teleportace hraje aktivní roli v rozvoji informační vědy. Na jedné straně je to koncepční protokol, který hraje rozhodující roli ve vývoji formální kvantové teorie informace, a na druhé straně je základní složkou mnoha technologií. Kvantový opakovač je klíčovým prvkem komunikace na velké vzdálenosti. Teleportace pomocí kvantového spínače, výpočetní technika založená na dimenzích a kvantové sítě jsou jejich deriváty. Používá se také jako jednoduchý nástroj pro studium „extrémní“fyziky týkající se časových křivek a vypařování černých děr.
Dnes byla kvantová teleportace potvrzena v laboratořích po celém světě pomocí mnoha různých substrátů a technologií, včetně fotonických qubitů, nukleární magnetické rezonance, optických módů, skupin atomů, zachycených atomů apolovodičové systémy. Vynikajících výsledků bylo dosaženo v oblasti teleportačního dosahu, přicházejí experimenty s družicemi. Kromě toho začaly pokusy o rozšíření na složitější systémy.
Teleportace qubitů
Kvantová teleportace byla poprvé popsána pro dvouúrovňové systémy, takzvané qubity. Protokol bere v úvahu dvě vzdálené strany, zvané Alice a Bob, které sdílejí 2 qubity, A a B, v čistě zapleteném stavu, nazývaném také Bell pair. Na vstupu je Alici dán další qubit a, jehož stav ρ je neznámý. Poté provede společné kvantové měření zvané Bell detection. To trvá a a do jednoho ze čtyř Bellových stavů. Výsledkem je, že stav Alicina vstupního qubitu během měření zmizí a Bobův qubit B se současně promítne na Р†kρP k. V poslední fázi protokolu Alice pošle klasický výsledek svého měření Bobovi, který pomocí Pauliho operátoru Pk obnoví původní ρ.
Počáteční stav Alicina qubitu je považován za neznámý, protože jinak je protokol redukován na jeho vzdálené měření. Alternativně může být sám součástí většího kompozitního systému sdíleného s třetí stranou (v takovém případě úspěšná teleportace vyžaduje reprodukování všech korelací s touto třetí stranou).
Typický experiment s kvantovou teleportací předpokládá, že počáteční stav je čistý a patří do omezené abecedy,například šest pólů Blochovy koule. Za přítomnosti dekoherence může být kvalita rekonstruovaného stavu kvantifikována přesností teleportace F ∈ [0, 1]. Toto je přesnost mezi stavy Alice a Bob, zprůměrovaná přes všechny výsledky detekce Bell a původní abecedu. Při nízkých hodnotách přesnosti existují metody, které umožňují nedokonalou teleportaci bez použití zatemněného zdroje. Alice může například přímo změřit svůj počáteční stav odesláním výsledků Bobovi, aby připravil výsledný stav. Tato strategie měření a přípravy se nazývá „klasická teleportace“. Má maximální přesnost Fclass=2/3 pro libovolný vstupní stav, který je ekvivalentní abecedě vzájemně nezaujatých stavů, jako je šest pólů Blochovy koule.
Jasným ukazatelem použití kvantových zdrojů je tedy hodnota přesnosti F> Fclass.
Ani jeden qubit
Podle kvantové fyziky není teleportace omezena na qubity, může zahrnovat vícerozměrné systémy. Pro každou konečnou dimenzi d lze formulovat ideální teleportační schéma pomocí základu maximálně zapletených stavových vektorů, které lze získat z daného maximálně zapleteného stavu a základu {Uk} unitární operátory splňující tr(U †j Uk)=dδj, k . Takový protokol lze sestavit pro libovolného Hilberta s konečnou dimenzíprostory tzv. diskrétní variabilní systémy.
Kromě toho lze kvantovou teleportaci rozšířit také na systémy s nekonečně-dimenzionálním Hilbertovým prostorem, nazývané systémy se spojitou proměnnou. Zpravidla jsou realizovány optickými bosonickými módy, jejichž elektrické pole lze popsat kvadraturními operátory.
Princip rychlosti a nejistoty
Jaká je rychlost kvantové teleportace? Informace se přenášejí podobnou rychlostí jako při klasickém přenosu – možná rychlostí světla. Teoreticky jej lze využít způsoby, které klasický neumí – například v kvantových výpočtech, kde jsou data dostupná pouze příjemci.
Porušuje kvantová teleportace princip neurčitosti? V minulosti nebrali vědci myšlenku teleportace příliš vážně, protože se předpokládalo, že porušuje zásadu, že jakýkoli proces měření nebo skenování by nezískal všechny informace o atomu nebo jiném objektu. Podle principu neurčitosti platí, že čím přesněji je objekt skenován, tím více je procesem skenování ovlivněn, dokud není dosaženo bodu, kdy je původní stav objektu narušen do takové míry, že již není možné získat dostatek informací k vytvoření přesné kopie. To zní přesvědčivě: pokud člověk nemůže extrahovat informace z objektu, aby vytvořil dokonalou kopii, pak nelze vytvořit poslední.
Kvantová teleportace pro figuríny
Ale šest vědců (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez a William Wuthers) našlo cestu kolem této logiky použitím slavného a paradoxního rysu kvantové mechaniky známého jako Einstein-Podolsky- Rosenův efekt. Našli způsob, jak naskenovat část informací teleportovaného objektu A a zbytek neověřené části přenést zmíněným efektem na jiný objekt C, který nikdy nebyl v kontaktu s A.
Aplikováním vlivu na C, který závisí na naskenovaných informacích, můžete C před skenováním uvést do stavu A. Samotný A již není ve stejném stavu, protože byl zcela změněn procesem skenování, takže bylo dosaženo teleportace, nikoli replikace.
Boj o rozsah
- První kvantová teleportace byla provedena v roce 1997 téměř současně vědci z University of Innsbruck a University of Rome. Během experimentu byly původní foton, který má polarizaci, a jeden z dvojice provázaných fotonů změněny tak, že druhý foton dostal polarizaci původního. V tomto případě byly oba fotony ve vzájemné vzdálenosti.
- V roce 2012 proběhla další kvantová teleportace (Čína, University of Science and Technology) přes vysokohorské jezero ve vzdálenosti 97 km. Týmu vědců ze Šanghaje pod vedením Huanga Yina se podařilo vyvinout naváděcí mechanismus, který umožňoval přesné zacílení paprsku.
- V září téhož roku byla provedena rekordní kvantová teleportace 143 km. Rakouští vědci z Rakouské akademie věd a univerzityVídeň pod vedením Antona Zeilingera úspěšně přenesla kvantové stavy mezi dva Kanárské ostrovy La Palma a Tenerife. Experiment používal dvě optické komunikační linky v otevřeném prostoru, kvantovou a klasickou, frekvenčně nekorelovanou polarizací propletený pár zdrojových fotonů, ultra-nízkošumové jednofotonové detektory a synchronizaci spřažených hodin.
- V roce 2015 výzkumníci z amerického Národního institutu pro standardy a technologie poprvé přenesli informace přes optické vlákno na vzdálenost více než 100 km. To bylo možné díky jednofotonovým detektorům vytvořeným v ústavu, využívajícími supravodivé nanodráty vyrobené ze silicidu molybdenu.
Je jasné, že ideální kvantový systém nebo technologie zatím neexistuje a velké objevy budoucnosti teprve přijdou. Přesto se lze pokusit identifikovat možné kandidáty v konkrétních aplikacích teleportace. Jejich vhodná hybridizace za předpokladu kompatibilního rámce a metod by mohla poskytnout nejslibnější budoucnost pro kvantovou teleportaci a její aplikace.
Krátké vzdálenosti
Teleportace na krátké vzdálenosti (do 1 m) jako kvantový výpočetní subsystém je slibná pro polovodičová zařízení, z nichž nejlepší je schéma QED. Zejména supravodivé transmonové qubity mohou zaručit deterministickou a vysoce přesnou teleportaci na čipu. Umožňují také přímé podávání v reálném čase, cožna fotonických čipech vypadá problematicky. Kromě toho poskytují škálovatelnější architekturu a lepší integraci stávajících technologií ve srovnání s předchozími přístupy, jako jsou zachycené ionty. Jedinou nevýhodou těchto systémů se v současnosti zdá být jejich omezená doba koherence (<100 µs). Tento problém lze vyřešit integrací obvodu QED s polovodičovými paměťovými buňkami se spinovým souborem (s dusíkem substituovanými prázdnými místy nebo krystaly dotovanými vzácnými zeminami), které mohou poskytnout dlouhou dobu koherence pro ukládání kvantových dat. Tato implementace je v současné době předmětem velkého úsilí vědecké komunity.
Komunikace ve městě
Teleportační komunikace v měřítku města (několik kilometrů) by mohla být vyvinuta pomocí optických režimů. S dostatečně nízkými ztrátami poskytují tyto systémy vysoké rychlosti a šířku pásma. Mohou být rozšířeny z desktopových implementací na systémy středního dosahu provozované vzduchem nebo vláknem, s možnou integrací se souborovou kvantovou pamětí. Delší vzdálenosti, ale nižší rychlosti lze dosáhnout hybridním přístupem nebo vývojem dobrých opakovačů založených na negaussovských procesech.
Komunikace na dálku
Kvantová teleportace na dlouhé vzdálenosti (přes 100 km) je aktivní oblastí, ale stále trpí otevřeným problémem. Polarizační qubity -nejlepší nosiče pro nízkorychlostní teleportaci po dlouhých optických spojích a vzduchem, ale protokol je v současnosti pravděpodobný kvůli neúplné detekci Bell.
Zatímco pravděpodobnostní teleportace a zapletení jsou přijatelné pro problémy, jako je destilace zapletení a kvantová kryptografie, je to zřetelně odlišné od komunikace, ve které musí být vstup zcela zachován.
Pokud přijmeme tuto pravděpodobnostní povahu, pak jsou satelitní implementace v dosahu moderní technologie. Kromě integrace metod sledování jsou hlavním problémem vysoké ztráty způsobené šířením paprsku. To lze překonat v konfiguraci, kde je zapletení distribuováno ze satelitu do pozemních dalekohledů s velkou aperturou. Za předpokladu družicové apertury 20 cm ve výšce 600 km a 1 m apertury dalekohledu na zemi lze očekávat ztrátu asi 75 dB downlinku, což je méně než 80 dB ztráta na úrovni země. Implementace země-satelit nebo satelit-satelit jsou složitější.
Kvantová paměť
Budoucí využití teleportace jako součásti škálovatelné sítě přímo závisí na její integraci s kvantovou pamětí. Posledně jmenovaný by měl mít vynikající rozhraní mezi zářením a hmotou, pokud jde o účinnost konverze, přesnost záznamu a čtení, dobu ukládání a šířku pásma, vysokou rychlost a kapacitu úložiště. za prvéTo zase umožní použití relé pro rozšíření komunikace daleko za rámec přímého přenosu pomocí kódů pro opravu chyb. Vývoj dobré kvantové paměti by umožnil nejen distribuovat zapletení po síti a teleportační komunikaci, ale také zpracovávat uložené informace koherentním způsobem. Nakonec by to mohlo proměnit síť v globálně distribuovaný kvantový počítač nebo základnu pro budoucí kvantový internet.
Slibný vývoj
Atomové celky byly tradičně považovány za atraktivní díky jejich účinné přeměně světla na hmotu a jejich životnosti v milisekundách, která může být až 100 ms potřebných k přenosu světla v globálním měřítku. Dnes se však očekává slibnější vývoj založený na polovodičových systémech, kde je vynikající kvantová paměť se spinovým souborem přímo integrována se škálovatelnou obvodovou architekturou QED. Tato paměť může nejen prodloužit koherenční dobu obvodu QED, ale také poskytnout opticko-mikrovlnné rozhraní pro vzájemnou konverzi opticko-telekomunikačních a čipových mikrovlnných fotonů.
Budoucí objevy vědců v oblasti kvantového internetu budou tedy pravděpodobně založeny na optické komunikaci na dlouhé vzdálenosti spojené s polovodičovými uzly pro zpracování kvantové informace.
