Кванттық телепортация кванттық ақпараттағы ең маңызды хаттамалардың бірі болып табылады. Шатасудың физикалық ресурсына сүйене отырып, ол әртүрлі ақпараттық тапсырмалардың негізгі элементі ретінде қызмет етеді және кванттық есептеулерді, желілерді және байланысты одан әрі дамытуда шешуші рөл атқаратын кванттық технологиялардың маңызды құрамдас бөлігі болып табылады.
Ғылыми фантастикадан ғалымдардың ашқан жаңалығына дейін
Кванттық телепортацияның ашылғанына жиырма жылдан астам уақыт өтті, бұл кванттық механиканың «біртүрлілігінің» ең қызықты және қызықты салдарының бірі болуы мүмкін. Бұл ұлы жаңалықтар ашылғанға дейін бұл идея ғылыми фантастика саласына қатысты. Алғаш рет 1931 жылы Чарльз Х. Форт ойлап тапқан «телепортация» термині содан бері денелер мен заттардың бір жерден екінші жерге олардың арасындағы қашықтықты жүрмей тасымалдану процесіне қатысты қолданыла бастады.
1993 жылы кванттық ақпараттық хаттаманы сипаттайтын мақала жарияланды.«кванттық телепортация» жоғарыда аталған бірнеше мүмкіндіктерді бөлісті. Онда физикалық жүйенің белгісіз күйі өлшенеді және кейіннен қашықтағы жерде қайта шығарылады немесе «қайта жинақталады» (бастапқы жүйенің физикалық элементтері тарату орнында қалады). Бұл процесс классикалық байланыс құралдарын қажет етеді және FTL байланысын жоққа шығарады. Ол шиеленістің ресурсын қажет етеді. Шындығында телепортацияны шиеленістің табиғатын барынша айқын көрсететін кванттық ақпараттық хаттама ретінде қарастыруға болады: оның қатысуынсыз мұндай жіберу күйі кванттық механиканы сипаттайтын заңдар шеңберінде мүмкін емес еді.
Телепортация ақпараттық ғылымның дамуында белсенді рөл атқарады. Бір жағынан, бұл формальды кванттық ақпарат теориясының дамуында шешуші рөл атқаратын концептуалды хаттама, ал екінші жағынан ол көптеген технологиялардың іргелі құрамдас бөлігі болып табылады. Кванттық қайталағыш ұзақ қашықтықтағы байланыстың негізгі элементі болып табылады. Кванттық коммутатор телепортациясы, өлшемге негізделген есептеулер және кванттық желілер оның туындылары болып табылады. Ол сонымен қатар уақыт қисықтары мен қара тесіктердің булануына қатысты "экстремалды" физиканы зерттеуге арналған қарапайым құрал ретінде пайдаланылады.
Бүгінгі таңда кванттық телепортация фотонды кубиттер, ядролық магниттік резонанс, оптикалық режимдер, атомдар топтары, ұсталған атомдар жәнежартылай өткізгіш жүйелер. Телепортация диапазоны саласында тамаша нәтижелерге қол жеткізілді, спутниктермен тәжірибелер жүргізілуде. Оған қоса, күрделірек жүйелерге дейін кеңейту әрекеттері басталды.
Кубиттердің телепортациясы
Кванттық телепортация алғаш рет кубиттер деп аталатын екі деңгейлі жүйелер үшін сипатталған. Хаттамада 2 кубитті, А және В-ны бөлісетін Алиса және Боб деп аталатын екі алыс жақ қарастырылады, олар сонымен қатар Bell жұбы деп аталады. Кіріс кезінде Алисаға күйі ρ белгісіз тағы бір кубит a беріледі. Содан кейін ол Bell анықтау деп аталатын бірлескен кванттық өлшеуді орындайды. Төрт Bell күйінің біріне a және A қажет. Нәтижесінде өлшеу кезінде Алисаның кіріс кубитінің күйі жоғалады және Бобтың В кубиті бір уақытта Р†kρP проекцияланады. k. Хаттаманың соңғы кезеңінде Элис өзінің өлшеуінің классикалық нәтижесін Бобқа жібереді, ол бастапқы ρ. қалпына келтіру үшін Паули операторын Pk пайдаланады.
Алиса кубитінің бастапқы күйі белгісіз болып саналады, себебі әйтпесе хаттама қашықтан өлшеуге дейін төмендейді. Сонымен қатар, оның өзі үшінші тараппен бөлісілген үлкенірек құрамдас жүйенің бөлігі болуы мүмкін (бұл жағдайда сәтті телепортация осы үшінші тараппен барлық корреляцияны қайта жасауды талап етеді).
Типтік кванттық телепортация тәжірибесі бастапқы күй таза және шектеулі алфавитке жатады деп болжайды,мысалы, Блох сферасының алты полюсі. Декогеренттілік болған жағдайда қайта құрылған күйдің сапасын F ∈ [0, 1] телепортация дәлдігі арқылы сандық анықтауға болады. Бұл Алиса мен Боб күйлерінің арасындағы дәлдік, барлық Bell анықтау нәтижелері мен түпнұсқа әліпби бойынша орташа алынған. Төмен дәлдік мәндерінде түсініксіз ресурсты пайдаланбай жетілмеген телепортацияға мүмкіндік беретін әдістер бар. Мысалы, Алиса нәтижелерді Бобқа нәтиже күйін дайындау үшін жіберу арқылы өзінің бастапқы күйін тікелей өлшей алады. Бұл өлшеу-дайындық стратегиясы «классикалық телепортация» деп аталады. Оның ерікті енгізу күйі үшін максималды дәлдігі Fclass=2/3, ол Блох сферасының алты полюсі сияқты өзара бейтарап күйлердің алфавитіне тең.
Осылайша, кванттық ресурстарды пайдаланудың нақты көрсеткіші дәлдік мәні болып табылады F> Fclass.
Бір кубит емес
Кванттық физикаға сәйкес телепортация тек кубиттермен шектелмейді, ол көпөлшемді жүйелерді қамтуы мүмкін. Әрбір соңғы d өлшемі үшін берілген максималды шатастырылған күйден және {Uk} негізінде алуға болатын максималды шатастырылған күй векторларының негізін пайдаланып идеалды телепортация схемасын құрастыруға болады. tr(U †j Uk)=dδj, k . Мұндай протоколды кез келген соңғы өлшемді Гильберт үшін құрастыруға боладыдеп аталатын кеңістіктер. дискретті айнымалы жүйелер.
Сонымен қатар кванттық телепортацияны үздіксіз айнымалы жүйелер деп аталатын шексіз өлшемді Гильберт кеңістігі бар жүйелерге де кеңейтуге болады. Әдетте, олар электр өрісін квадратуралық операторлар арқылы сипаттауға болатын оптикалық бозондық режимдер арқылы жүзеге асырылады.
Жылдамдық және белгісіздік принципі
Кванттық телепортацияның жылдамдығы қандай? Ақпарат классикалық беріліс көлеміне ұқсас жылдамдықпен беріледі - мүмкін жарық жылдамдығымен. Теориялық тұрғыдан оны классикалық қолданыла алмайтын тәсілдермен қолдануға болады - мысалы, деректер тек алушыға қолжетімді болатын кванттық есептеулерде.
Кванттық телепортация белгісіздік принципін бұзады ма? Бұрын телепортация идеясын ғалымдар аса байыпты қабылдамады, өйткені ол кез келген өлшеу немесе сканерлеу процесі атомның немесе басқа объектінің барлық ақпаратын шығармайды деген принципті бұзады деп ойлады. Белгісіздік принципіне сәйкес, объект неғұрлым дәл сканерленсе, оған сканерлеу процесі соғұрлым көп әсер етеді, объектінің бастапқы күйі одан әрі алу мүмкін болмайтын дәрежеде бұзылатын нүктеге жеткенше нақты көшірме жасау үшін жеткілікті ақпарат. Бұл сенімді болып көрінеді: егер адам тамаша көшірме жасау үшін нысаннан ақпаратты шығарып алмаса, соңғысын жасау мүмкін емес.
Манекендерге арналған кванттық телепортация
Бірақ алты ғалым (Чарльз Беннетт, Гиллес Брассард, Клод Крепо, Ричард Хоса, Ашер Перес және Уильям Вузерс) Эйнштейн-Подольский деп аталатын кванттық механиканың әйгілі және парадоксальды ерекшелігін пайдалана отырып, бұл логиканы айналып өтудің жолын тапты. Розен әсері. Олар телепортталған А объектісінің ақпаратының бір бөлігін сканерлеудің жолын тапты, ал тексерілмеген бөлігінің қалған бөлігін аталған әсер арқылы А.-мен ешқашан байланыста болмаған басқа С объектісіне тасымалдау әдісін тапты.
Сонымен қатар, сканерленген ақпаратқа байланысты әсерді C тіліне қолдану арқылы сканерлеу алдында C тілін A күйіне қоюға болады. A өзі бұдан былай бұрынғы күйде емес, себебі ол сканерлеу процесі арқылы толығымен өзгертілді, сондықтан репликация емес, телепортацияға қол жеткізілді.
Ауқым үшін күрес
- Бірінші кванттық телепортацияны 1997 жылы Инсбрук университеті мен Рим университетінің ғалымдары дерлік бір уақытта жүзеге асырды. Тәжірибе барысында поляризациясы бар түпнұсқа фотон және шатастырылған фотондардың бір жұбы екінші фотон бастапқының поляризациясын алатындай етіп өзгертілді. Бұл жағдайда екі фотон да бір-бірінен қашықтықта болды.
- 2012 жылы тағы бір кванттық телепортация (Қытай, Ғылым және технология университеті) 97 км қашықтықтағы биік тау көлі арқылы жүзеге асты. Хуан Инь бастаған Шанхай ғалымдары тобы сәулені дәл көздеуге мүмкіндік беретін үйге бағыттау механизмін жасап шығарды.
- Сол жылдың қыркүйегінде 143 км рекордтық кванттық телепортация жасалды. Австрия ғылым академиясы мен университетінің австриялық ғалымдарыАнтон Зейлингер басқарған Вена екі Канар аралдары Ла-Пальма мен Тенерифе арасындағы кванттық күйлерді сәтті ауыстырды. Экспериментте ашық кеңістікте екі оптикалық байланыс желісі қолданылды, кванттық және классикалық, жиілікпен корреляцияланбаған поляризацияланған жұп бастапқы фотондар, ультра төмен шулы бір фотонды детекторлар және біріктірілген сағатты синхрондау.
- 2015 жылы АҚШ Ұлттық стандарттар және технологиялар институтының зерттеушілері алғаш рет оптикалық талшық арқылы 100 км-ден астам қашықтыққа ақпаратты жіберді. Бұл институтта молибден силицидінен жасалған асқын өткізгіш наноөткізгіштерді қолданатын бір фотонды детекторлардың арқасында мүмкін болды.
Идеал кванттық жүйе немесе технология әлі жоқ екені және болашақтың ұлы ашылулары әлі алда екені анық. Дегенмен, телепортацияның нақты қосымшаларында ықтимал үміткерлерді анықтауға болады. Үйлесімді негіздеме мен әдістерді ескере отырып, олардың қолайлы гибридизациясы кванттық телепортация мен оның қолданбалары үшін ең перспективалы болашақты қамтамасыз ете алады.
Қысқа қашықтықтар
Кванттық есептеуіш ішкі жүйе ретінде қысқа қашықтықта (1 м-ге дейін) телепортация жартылай өткізгіш құрылғылар үшін перспективалы болып табылады, олардың ең жақсысы QED схемасы болып табылады. Атап айтқанда, асқын өткізгіш трансмон кубиттер детерминирленген және жоғары дәлдіктегі чиптегі телепортацияға кепілдік бере алады. Олар сондай-ақ нақты уақыттағы тікелей арнаға мүмкіндік береді, бұлфотоникалық чиптерде проблемалы көрінеді. Бұған қоса, олар ұсталған иондар сияқты бұрынғы тәсілдермен салыстырғанда ауқымды архитектураны және бар технологияларды жақсырақ біріктіруді қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта бұл жүйелердің жалғыз кемшілігі олардың шектеулі когеренттілік уақыты (<100 мкс) болып табылады. Бұл мәселені QED тізбегін жартылай өткізгішті спин-ансамбльді жад ұяшықтарымен (азот алмастырылған бос орындармен немесе сирек жер қоспалары бар кристалдармен) біріктіру арқылы шешуге болады, бұл кванттық деректерді сақтау үшін ұзақ когеренттілік уақытын қамтамасыз ете алады. Бұл іске асыру қазіргі уақытта ғылыми қауымдастықтың көп күш-жігерін салуда.
Қалалық байланыс
Қалалық масштабтағы телепортациялық байланысты (бірнеше километр) оптикалық режимдер арқылы дамытуға болады. Жеткілікті аз шығынмен бұл жүйелер жоғары жылдамдық пен өткізу қабілеттілігін қамтамасыз етеді. Оларды жұмыс үстеліндегі іске асырудан бастап ансамбльдік кванттық жадымен ықтимал интеграциямен ауада немесе талшықта жұмыс істейтін орташа ауқымды жүйелерге дейін кеңейтуге болады. Ұзақ қашықтыққа, бірақ төмен жылдамдыққа гибридті тәсілмен немесе Гаусс емес процестерге негізделген жақсы қайталағыштарды жасау арқылы қол жеткізуге болады.
Қалааралық байланыс
Алыс қашықтыққа кванттық телепортация (100 км-ден астам) белсенді аймақ болып табылады, бірақ әлі де ашық мәселе бар. Поляризация кубиттері -ұзын талшықты байланыстар арқылы және әуе арқылы төмен жылдамдықты телепортацияға арналған ең жақсы тасымалдаушылар, бірақ қоңырауды толық анықтауға байланысты протокол қазіргі уақытта ықтимал.
Ықтимал телепортация мен түйісу шатастыруды айдау және кванттық криптография сияқты мәселелер үшін қолайлы болғанымен, бұл кіріс толығымен сақталуы керек байланыстан анық ерекшеленеді.
Егер біз бұл ықтималдық сипатын қабылдайтын болсақ, онда спутниктік іске асыру заманауи технологияның қол жетімділігінде. Бақылау әдістерін біріктіруден басқа, негізгі мәселе - сәуленің таралуынан туындаған жоғары шығындар. Бұл түйісу спутниктен үлкен апертуралы жердегі телескоптарға таралатын конфигурацияда жеңуге болады. 600 км биіктікте 20 см спутниктік апертураны және жердегі 1 м телескоп апертурасын болжасақ, жер деңгейіндегі 80 дБ жоғалтудан азырақ 75 дБ төмен төмен байланысты жоғалтуды күтуге болады. Жерден спутникке немесе спутниктен жерсерікке орнату күрделірек.
Кванттық жады
Телепортацияны болашақта масштабталатын желінің бөлігі ретінде пайдалану оның кванттық жадымен интеграциясына тікелей байланысты. Соңғысы түрлендіру тиімділігі, жазу және оқу дәлдігі, сақтау уақыты мен өткізу қабілеті, жоғары жылдамдық пен сақтау сыйымдылығы бойынша тамаша радиациялық интерфейске ие болуы керек. БіріншіБұл, өз кезегінде, қателерді түзету кодтары арқылы тікелей жіберуден тыс байланысты кеңейту үшін релелерді пайдалануға мүмкіндік береді. Жақсы кванттық жадты дамыту желі және телепортация байланысы бойынша түйіспелерді таратуға ғана емес, сонымен қатар сақталған ақпаратты үйлесімді түрде өңдеуге мүмкіндік береді. Сайып келгенде, бұл желіні жаһандық таралған кванттық компьютерге немесе болашақ кванттық интернеттің негізіне айналдыруы мүмкін.
Болашағы бар әзірлемелер
Атомдық ансамбльдер жарықты затқа тиімді түрлендіруіне және жаһандық ауқымда жарықты өткізуге қажет 100 мс-ке дейін жоғары болуы мүмкін миллисекундтық қызмет ету мерзіміне байланысты дәстүрлі түрде тартымды болып саналды. Дегенмен, бүгінде тамаша спин-ансамбльдік кванттық жады масштабталатын QED схемасының архитектурасымен тікелей біріктірілген жартылай өткізгіш жүйелер негізінде неғұрлым перспективалы әзірлемелер күтілуде. Бұл жад QED тізбегінің когеренттілік уақытын ұзартып қана қоймайды, сонымен қатар оптикалық-телекоммуникациялық және микротолқынды фотонды микротолқынды микротолқындардың өзара түрлендіруі үшін оптикалық-микротолқынды интерфейсті қамтамасыз ете алады.
Осылайша, кванттық интернет саласындағы ғалымдардың болашақ ашылымдары кванттық ақпаратты өңдеу үшін жартылай өткізгіш түйіндермен біріктірілген ұзақ қашықтықты оптикалық байланысқа негізделген болуы мүмкін.
