Квантавая тэлепартацыя: вялікія адкрыцця навукоўцаў-фізікаў

Квантавая тэлепартацыя з'яўляецца адным з найбольш важных пратаколаў у квантавай інфармацыі. Грунтуючыся на фізічным рэсурсе заблытанасці, яна служыць галоўным элементам розных інфармацыйных задач і ўяўляе сабой важную складовую частку квантавых тэхналогій, гуляючы ключавую ролю ў далейшым развіцці квантавых вылічэнняў, сетак і камунікацыі.

Ад навуковай фантастыкі да адкрыцця навукоўцаў

Прайшло ўжо больш за двух дзесяцігоддзяў з моманту адкрыцця квантавай тэлепартацыі, якая, магчыма, з'яўляецца адным з самых цікавых і захапляльных следстваў «дзівацтвы» квантавай механікі. Да таго, як былі зробленыя гэтыя вялікія адкрыцця, дадзеная ідэя належала вобласці навуковай фантастыкі. Упершыню прыдуманы ў 1931 г. Чарльзам Х. Фортам тэрмін «тэлепартацыя» з тых часоў выкарыстоўваецца для абазначэння працэсу, з дапамогай якога цела і аб'екты перадаюцца з аднаго месца ў іншае, на самай справе не пераадольваючы адлегласць паміж імі.

У 1993 годзе была апублікаваная артыкул з апісаннем пратакола квантавай інфармацыі, які атрымаў назву «квантавая тэлепартацыя», які падзяліў некалькі з пералічаных вышэй прыкмет. У ім невядомае стан фізічнай сістэмы вымяраецца і пасля прайграваецца або «паўторна збіраецца» ў аддаленым месцы (фізічныя элементы зыходнай сістэмы застаюцца ў месцы перадачы). Гэты працэс патрабуе класічных сродкаў сувязі і выключае сверхсветовую камунікацыю. Для яго неабходны рэсурс заблытанасці. На самай справе тэлепартацыю можна разглядаць як пратакол квантавай інфармацыі, які найбольш выразна дэманструе характар заблытанасці: без яго прысутнасці такое стан перадачы не было б магчымым у рамках законаў, якімі апісваецца квантавая механіка.

Тэлепартацыя гуляе актыўную ролю ў развіцці навукі аб інфармацыі. З аднаго боку, гэта канцэптуальны пратакол, які грае вырашальную ролю ў развіцці фармальнай квантавай тэорыі інфармацыі, а з другога ён з'яўляецца фундаментальнай складнікам многіх тэхналогій. Квантавы паўторнік – ключавы элемент камунікацыі на вялікія адлегласці. Тэлепартацыя квантавых перамыкачоў, вылічэнні на аснове вымярэнняў і квантавыя сеткі – усе з'яўляюцца яе вытворнымі. Яна выкарыстоўваецца і ў якасці простага інструмента для вывучэння «экстрэмальнай» фізікі, якая тычыцца часовых крывых і выпарэння чорных дзюр.

Сёння квантавая тэлепартацыя пацверджана ў лабараторыях па ўсім свеце з выкарыстаннем мноства розных субстратаў і тэхналогій, у тым ліку фатонных кубитов, ядзернага магнітнага рэзанансу, аптычных мод, груп атамаў, захопленых атамаў і паўправадніковых сістэм. Выдатныя вынікі былі дасягнуты ў галіне далёкасці тэлепартацыі, чакаюць эксперыменты са спадарожнікамі. Акрамя таго, пачаліся спробы маштабавання да больш складаных сістэм.

Тэлепартацыя кубитов

Квантавая тэлепартацыя была ўпершыню апісана для двухузроўневых сістэм, так званых кубитов. Пратакол разглядае дзве аддаленыя боку, названыя Алісай і Бобам, якія падзяляюць 2 кубита, А і В, якія знаходзяцца ў чыстым заблытаным стане, таксама званыя парай Бэла. На ўваходзе Алісе даецца яшчэ адзін кубит а, чыё стан ρ невядома. Затым яна выконвае сумеснае квантавы вымярэнне, званае выяўленнем Бэла. Яно пераносіць а і А ў адно з чатырох станаў Бэла. У выніку стан уваходнага кубита Алісы пры вымярэнні знікае, а кубит Боба B адначасова праецыюецца на Р^†_KρP_K. На апошнім этапе пратаколу Аліса перадае класічны вынік яе вымярэння Бобу, які прымяняе аператар Паўлі P_K для аднаўлення зыходнага ρ.

Пачатковае стан кубита Алісы лічыцца невядомым, так як у адваротным выпадку пратакол зводзіцца да яго выдаленага вымярэнні. Акрамя таго, яно само па сабе можа быць складовай часткай больш буйной сістэмы, падзеленай з трэцяй бокам (у гэтым выпадку паспяховая тэлепартацыя патрабуе прайгравання ўсіх карэляцый з гэтай трэцяй бокам).

Тыповы эксперымент па квантавай тэлепартацыі прымае зыходнае стан чыстым і належаць да абмежаванаму алфавіце, напрыклад, шасці канцавоссяў сферы Блыха. У прысутнасці декогеренции якасць рэканструяванага стану можа быць выказана колькасна дакладнасцю тэлепартацыі F ∈ [0, 1]. Гэта дакладнасць паміж станамі Алісы і Боба, асераднёныя па ўсім вынікамі выяўлення Бэла і зыходнага алфавіце. Пры малых значэннях дакладнасці існуюць метады, якія дазваляюць правесці недасканалую тэлепартацыю без выкарыстання заблытанага рэсурсу.Напрыклад, Аліса можа напрамую вымераць сваё зыходнае стан, пасылаючы вынікі Бобу для падрыхтоўкі выніковага стану. Такую стратэгію вымярэння-падрыхтоўкі называюць «класічнай тэлепартацыяй». Яна мае максімальную дакладнасць F_Class = 2/3 для адвольнага уваходнага стану, што эквівалентна алфавіце ўзаемна несмещенных станаў, такіх як шэсць палюсоў сферы Блыха.

Такім чынам, выразным прыкметай выкарыстання квантавых рэсурсаў з'яўляецца значэнне дакладнасці F> F_Class.

Не кубитом адзіным

Як сцвярджае квантавая фізіка, тэлепартацыя не абмяжоўваецца кубитами, яна можа ўключаць шматмерныя сістэмы. Для кожнага канчатковага вымярэння d можна сфармуляваць ідэальную схему тэлепартацыі, выкарыстоўваючы базіс максімальна заблытаных вектараў стану, які можа быць атрыманы з зададзенага максімальна заблытанага стану і базісу {U_K} унітарных аператараў, якія задавальняюць tr(U^†_J U_K) = dδ_J,k. Такі пратакол можна пабудаваць для любога конечноразмерного гильбертового прасторы т. н. дыскрэтна-зменных сістэм.

Акрамя таго, квантавая тэлепартацыя можа распаўсюджвацца і на сістэмы з бесконечномерным гильбертовым прасторай, званымі бесперапынна-зменнымі сістэмамі. Як правіла, яны рэалізуюцца аптычнымі бозонными модамі, электрычнае поле якіх можна апісаць квадратурными аператарамі.

Хуткасць і прынцып нявызначанасці

Якая хуткасць пры квантавай тэлепартацыі? Інфармацыя перадаецца на хуткасці, аналагічнай хуткасці перадачы таго ж колькасці класічнай – магчыма, з хуткасцю святла. Тэарэтычна яна можа быць выкарыстана такім чынам, якім класічная не можа – напрыклад, у квантавых вылічэннях, дзе дадзеныя даступныя толькі атрымальніку.

Парушае квантавая тэлепартацыя прынцып нявызначанасці? У мінулым ідэя тэлепартацыі не вельмі сур'ёзна ўспрымалася навукоўцамі, таму што лічылася, што яна парушае прынцып, які забараняе любому вымяральнага або сканирующему працэсу здабываць усю інфармацыю атама або іншага аб'екта. У адпаведнасці з прынцыпам нявызначанасці, чым дакладней аб'ект скануецца, тым больш на яго ўплывае працэс сканавання, пакуль не будзе дасягнута кропка, калі зыходнае стан аб'екта парушыцца да такой ступені, што больш нельга будзе атрымаць дастатковай колькасці інфармацыі для стварэння дакладнай копіі. Гэта гучыць пераканаўча: калі чалавек не можа атрымаць звесткі з аб'екта для стварэння ідэальнай копіі, то апошняя зроблена быць не можа.

Квантавая тэлепартацыя для чайнікаў

Але шэсць навукоўцаў (Чарльз Бенет, Жыль Брасар, Клод Крепо, Рычард Джоса, Ашэр Перэс і Уільям Вутерс) знайшлі спосаб абыйсці гэтую логіку, выкарыстоўваючы знакамітую і парадаксальную асаблівасць квантавай механікі, вядомую як эфект Эйнштэйна-Падольскага-Розена. Яны знайшлі спосаб адсканаваць частка інфармацыі телепортируемого аб'екта А, а астатнюю неправераную частка дапамогай згаданага эфекту перадаць іншаму аб'екту З, у кантакце з А ніколі не пребывавшему.

У далейшым, шляхам прымянення да C ўздзеяння, якая залежыць ад адсканаванай інфармацыі, можна ўвесці ў стан А да сканавання. Сам А ўжо не ў тым стане, так як цалкам зменены працэсам сканавання, таму дасягнутае з'яўляецца тэлепартацыяй, а не рэплікацыяй.

Барацьба за далёкасць

• Першая квантавая тэлепартацыя была праведзена ў 1997 г. амаль адначасова навукоўцамі з Універсітэта Інсбрука і Універсітэта Рыма. Падчас эксперыменту зыходны фатон, які валодае палярызацыяй, і адзін з пары заблытаных фатонаў падвергнуліся змене такім чынам, што другі фатон атрымаў палярызацыю зыходнага. Пры гэтым абодва фатона знаходзіліся на адлегласці адзін ад аднаго.
• У 2012 г. адбылася чарговая квантавая тэлепартацыя (Кітай, Універсітэт навукі і тэхналогіі) праз высакагорнае возера на адлегласць 97 км Камандзе навукоўцаў з Шанхая на чале з Хуанам Иинем ўдалося распрацаваць навадны механізм, які дазволіў дакладна нацэліць пучок.
• У верасні таго ж года была праведзена рэкордная квантавая тэлепартацыя на 143 км. Аўстрыйскія навукоўцы з Акадэміі навук Аўстрыі і Універсітэта Вены пад кіраўніцтвам Антона Цайлингера паспяхова перадалі квантавыя стану паміж двума Канарскими выспамі Ла Палма і Тэнэрыфэ. У эксперыменце выкарыстоўваліся дзве аптычныя лініі сувязі на адкрытым прасторы, квантумная і класічная, частотна некоррелированная поляризационно заблытаная пара фатонаў-крыніц, сверхнизкошумные однофотонный дэтэктары і счапленне тактавая сінхранізацыя.
• У 2015 г. даследнікі з амерыканскага Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогіі ўпершыню зрабілі перадачу інфармацыі наадлегласць больш за 100 км па оптавалакне. Гэта стала магчымым дзякуючы створаным у інстытуце однофотонным детекторам, якія выкарыстоўваюць звышправодныя нанопровода з силицида малібдэна.

Зразумела, што ідэальнай квантавай сістэмы або тэхналогіі пакуль не існуе і вялікія адкрыцця будучага яшчэ наперадзе. Тым не менш, можна паспрабаваць вызначыць магчымых кандыдатаў у канкрэтных галінах прымянення тэлепартацыі. Падыходная іх гібрыдызацыя пры ўмове сумяшчальнай базы і метадаў можа забяспечыць найбольш перспектыўны будучыню для квантавай тэлепартацыі і яе ужыванняў.

Кароткія дыстанцыі

Тэлепартацыя на кароткія адлегласці (да 1 м) як падсістэма квантавых вылічэнняў перспектыўная на паўправадніковых прыладах, лепшым з якіх з'яўляецца схема QED. У прыватнасці, звышправодныя трансмоновые кубиты могуць гарантаваць детерминированную і высокадакладную тэлепартацыю на чыпе. Яны таксама дазваляюць прамую падачу ў рэжыме рэальнага часу, якая выглядае праблематычнай на фатонных чыпах. Да таго ж яны забяспечваюць больш якая маштабуецца архітэктуру і лепшую інтэграцыю існуючых тэхналогій па параўнанні з папярэднімі падыходамі, такімі як захопленыя іёны. У цяперашні час адзіным недахопам гэтых сістэм, па-відаць, з'яўляецца іх абмежаваны час кагерэнтнасці (<100 мкс). Гэтая праблема можа быць вырашана з дапамогай інтэгравання схемы QED з паўправадніковымі спін-ансамблевыми вочкамі памяці (з азотна-замяшчэнне вакансіямі або легаванай рэдказямельных элементаў крышталямі), якія могуць забяспечыць доўгі час кагерэнтнасці для квантавага захоўвання дадзеных. У цяперашні час дадзеная рэалізацыя з'яўляецца прадметам прыкладання вялікіх намаганняў навуковай супольнасці.

Гарадская сувязь

Телепортационная сувязь у маштабе горада (некалькі кіламетраў) магла б распрацоўвацца з выкарыстаннем аптычных мод. Пры досыць нізкіх стратах гэтыя сістэмы забяспечваюць высокія хуткасці і шырыню паласы. Яны могуць быць пашыраныя ад настольных рэалізацый да сістэм сярэдняй далёкасці, якія дзейнічаюць праз эфір або оптавалакно, з магчымай інтэграцыяй з ансамблевай квантавай памяццю. Больш далёкія адлегласці, але з больш нізкімі хуткасцямі могуць быць дасягнутыя з дапамогай гібрыднага падыходу або шляхам распрацоўкі добрых рэтранслятараў, заснаваных на негауссовских працэсах.

Далёкая сувязь

Міжгародняя квантавая тэлепартацыя (больш за 100 км) з'яўляецца актыўнай вобласцю, але па-ранейшаму пакутуе ад адкрытай праблемы. Кубиты палярызацыі – лепшыя носьбіты для нізкахуткасных тэлепартацыі па доўгім оптавалакновых лініях сувязі і праз эфір, але ў цяперашні час пратакол з'яўляецца імавернасным з-за няпоўнага выяўлення Бэла.

Хоць імавернасны тэлепартацыя і заблытанасці прымальныя для такіх задач, як дыстыляцыя заблытвання і квантавая крыптаграфія, але гэта, відавочна, адрозніваецца ад камунікацыі, у якой ўваходная інфармацыя павінны быць цалкам захавана.

Калі прыняць гэты імавернасны характар, то спадарожнікавыя рэалізацыі знаходзяцца ў межах дасяжнасці сучасных тэхналогій. Акрамя інтэграцыі метадаў адсочвання, асноўнай праблемай становяцца высокія страты, выкліканыя расплыванием пучка. Гэта можа быць пераадолена ў канфігурацыі, дзе заблытанасць размеркавана ад спадарожніка да наземных тэлескопаў з вялікі апертурай. Мяркуючы апертуру спадарожніка ў 20 см пры 600-км вышыні і 1-м дыяфрагму тэлескопа на зямлі, можна чакаць каля 75 дБ страт у канале сыходнай лініі сувязі, што менш, чым 80 дБ страт на ўзроўні зямлі. Рэалізацыі «зямля-спадарожнік» ці «спадарожнік-спадарожнік» з'яўляюцца больш складанымі.

Квантавая памяць

Будучыня выкарыстанне тэлепартацыі ў якасці складовай часткі маштабуецца сеткі прама залежыць ад яе інтэграцыі з квантавай памяццю. Апошняя павінна валодаць цудоўным, з пункту гледжання эфектыўнасці канверсіі, інтэрфейсам «выпраменьванне-матэрыя», дакладнасцю запісу і счытвання, часам захоўвання і прапускной здольнасцю, высокай хуткасцю і ёмістасцю запамінальнай прылады. У першую чаргу гэта дасць магчымасць выкарыстоўваць рэтранслятары для пашырэння камунікацыі далёка за рамкі прамой перадачы з выкарыстаннем кодаў карэкцыі памылак. Развіццё добрай квантавай памяці дазволіла б не толькі размеркаваць па заблытванне сеткі і телепортационную камунікацыю, але і складна апрацоўваць захоўваемую інфармацыю. У канчатковым выніку, гэта можа ператварыць сетку ў сусветна размеркаваны квантавы кампутар або аснову для будучага квантавага інтэрнэту.

Перспектыўныя распрацоўкі

Атамныя ансамблі традыцыйна лічыліся прывабнымі з-за іх эфектыўнага пераўтварэнні «святло-матэрыя» і іх миллисекундных тэрмінаў захоўвання, якія могуць дасягаць 100 мс, неабходных для перадачы святла ў глабальным маштабе. Тым не менш больш перспектыўныя распрацоўкі сёння чакаюцца на аснове паўправадніковых сістэм, дзе выдатная спін-ансамблевая квантавая памяць прама інтэгруецца з маштабуецца архітэктурай схемы QED. Гэтая памяць не толькі можа падоўжыць час кагерэнтнасці ланцуга QED, але і забяспечыць оптыка-мікрахвалевай інтэрфейс для взаимопревращения оптыка-тэлекамунікацыйных ічыпаў мікрахвалевых фатонаў.

Такім чынам, будучыя адкрыцця вучоных у галіне квантавага інтэрнэту, верагодна, будуць заснаваныя на далёкай аптычнай сувязі, спалучанай з паўправадніковымі вузламі для апрацоўкі квантавай інфармацыі.