Kvant teleportasiyası kvant məlumatında ən vacib protokollardan biridir. Dolaşmanın fiziki resursuna əsaslanaraq, o, müxtəlif informasiya tapşırıqlarının əsas elementi kimi xidmət edir və kvant hesablamalarının, şəbəkələrin və rabitənin gələcək inkişafında əsas rol oynayan kvant texnologiyalarının mühüm tərkib hissəsidir.
Elmi fantastikadan elm adamlarının kəşfinə qədər
Kvant mexanikasının "qəribəliyinin" bəlkə də ən maraqlı və həyəcanverici nəticələrindən biri olan kvant teleportasiyasının kəşfindən iyirmi ildən artıq vaxt keçir. Bu böyük kəşflər edilməmişdən əvvəl bu fikir elmi fantastika sahəsinə aid idi. İlk dəfə 1931-ci ildə Çarlz H. Fort tərəfindən istifadə edilən "teleportasiya" termini o vaxtdan cisimlərin və cisimlərin əslində aralarındakı məsafəni qət etmədən bir yerdən digər yerə köçürülməsi prosesinə istinad etmək üçün istifadə edilmişdir.
1993-cü ildə kvant məlumat protokolunu təsvir edən məqalə dərc olundu.yuxarıda sadalanan bir neçə xüsusiyyətləri paylaşan "kvant teleportasiyası". Onda fiziki sistemin naməlum vəziyyəti ölçülür və sonradan çoxaldılır və ya uzaq bir yerdə “yenidən yığılır” (orijinal sistemin fiziki elementləri ötürmə yerində qalır). Bu proses klassik rabitə vasitələrini tələb edir və FTL rabitəsini istisna edir. Ona qarmaqarışıq bir qaynaq lazımdır. Əslində, teleportasiya dolaşıqlığın təbiətini ən aydın şəkildə nümayiş etdirən kvant məlumat protokolu kimi nəzərdən keçirilə bilər: onun iştirakı olmadan, kvant mexanikasını təsvir edən qanunlar çərçivəsində belə bir ötürülmə vəziyyəti mümkün olmazdı.
Teleportasiya informasiya elminin inkişafında fəal rol oynayır. Bu, bir tərəfdən formal kvant informasiya nəzəriyyəsinin inkişafında həlledici rol oynayan konseptual protokoldur, digər tərəfdən isə bir çox texnologiyaların fundamental komponentidir. Kvant təkrarlayıcı uzun məsafələrdə ünsiyyətin əsas elementidir. Kvant keçid teleportasiyası, ölçüyə əsaslanan hesablamalar və kvant şəbəkələri onun törəmələridir. O, həmçinin zaman əyriləri və qara dəliklərin buxarlanması ilə bağlı "ekstremal" fizikanı öyrənmək üçün sadə alət kimi istifadə olunur.
Bu gün kvant teleportasiyası fotonik kubitlər, nüvə maqnit rezonansı, optik rejimlər, atom qrupları, tələyə düşmüş atomlar və s.yarımkeçirici sistemlər. Teleportasiya diapazonu sahəsində əla nəticələr əldə edilib, peyklərlə təcrübələr gedir. Bundan əlavə, daha mürəkkəb sistemlərə keçməyə cəhdlər başlayıb.
Qubitlərin teleportasiyası
Kvant teleportasiyası ilk dəfə qubitlər adlanan iki səviyyəli sistemlər üçün təsvir edilmişdir. Protokol, saf dolaşıq vəziyyətdə 2 kubit, A və B paylaşan Alice və Bob adlı iki uzaq tərəfi, həmçinin Bell cütü adlandırır. Girişdə Alisa başqa bir qubit a verilir, onun vəziyyəti ρ məlum deyil. Daha sonra o, Bell aşkarlama adlı birgə kvant ölçməsini həyata keçirir. Dörd Bell vəziyyətindən birinə a və A alır. Nəticədə, ölçmə zamanı Alisin giriş kubitinin vəziyyəti yox olur və Bobun B qubiti eyni vaxtda Р†kρP üzərinə proqnozlaşdırılır. k. Protokolun son mərhələsində Alisa ölçmənin klassik nəticəsini orijinal ρ. bərpa etmək üçün Pauli operatoru Pk istifadə edən Boba göndərir.
Alis kubitinin ilkin vəziyyəti naməlum sayılır, çünki əks halda protokol onun uzaqdan ölçülməsinə endirilir. Alternativ olaraq, onun özü üçüncü tərəflə paylaşılan daha böyük kompozit sistemin bir hissəsi ola bilər (bu halda uğurlu teleportasiya həmin üçüncü tərəflə bütün korrelyasiyaların bərpasını tələb edir).
Tipik kvant teleportasiya təcrübəsi ilkin vəziyyətin saf olduğunu və məhdud əlifbaya aid olduğunu fərz edir,məsələn, Bloch sferasının altı qütbü. Dekoherensiyanın mövcudluğunda, yenidən qurulmuş vəziyyətin keyfiyyəti teleportasiya dəqiqliyi ilə ölçülə bilər F ∈ [0, 1]. Bu, bütün Bell aşkarlama nəticələri və orijinal əlifba üzrə orta hesablanmış Alice və Bob ştatları arasındakı dəqiqlikdir. Aşağı dəqiqlik dəyərlərində, qarışıq resursdan istifadə etmədən qüsursuz teleportasiyaya imkan verən üsullar var. Məsələn, Alice, nəticədə yaranan vəziyyəti hazırlamaq üçün nəticələri Boba göndərməklə ilkin vəziyyətini birbaşa ölçə bilər. Bu ölçmə-hazırlıq strategiyası "klassik teleportasiya" adlanır. O, Bloch sferasının altı qütbü kimi qarşılıqlı qərəzsiz vəziyyətlərin əlifbasına bərabər olan ixtiyari daxiletmə vəziyyəti üçün Fclass=2/3 maksimum dəqiqliyinə malikdir.
Beləliklə, kvant resurslarından istifadənin aydın göstəricisi dəqiqlik dəyəridir F> Fclass.
Bir dənə də qubit deyil
Kvant fizikasına görə teleportasiya yalnız kubitlərlə məhdudlaşmır, çoxölçülü sistemləri əhatə edə bilər. Hər bir sonlu d ölçüsü üçün, verilmiş maksimum dolaşıq vəziyyətdən və {Uk} əsasından əldə oluna bilən maksimal dərəcədə dolaşıq vəziyyət vektorları əsasında ideal teleportasiya sxemini tərtib etmək olar. tr(U †j Uk)=dδj, k . Belə bir protokol istənilən son ölçülü Hilbert üçün qurula bilərdeyilən boşluqlar. diskret dəyişən sistemlər.
Bundan başqa, kvant teleportasiyası davamlı dəyişən sistemlər adlanan sonsuz ölçülü Hilbert fəzasına malik sistemlərə də şamil edilə bilər. Bir qayda olaraq, onlar optik bosonik rejimlərlə həyata keçirilir, onların elektrik sahəsi kvadrat operatorlar tərəfindən təsvir edilə bilər.
Sürət və qeyri-müəyyənlik prinsipi
Kvant teleportasiyasının sürəti nədir? Məlumat eyni miqdarda klassik ötürülmə sürətinə bənzər bir sürətlə ötürülür - bəlkə də işıq sürəti ilə. Nəzəri cəhətdən o, klassikin mümkün olmadığı üsullarla istifadə edilə bilər - məsələn, məlumatların yalnız alıcı üçün əlçatan olduğu kvant hesablamasında.
Kvant teleportasiyası qeyri-müəyyənlik prinsipini pozurmu? Keçmişdə teleportasiya ideyası elm adamları tərəfindən o qədər də ciddi qəbul edilmirdi, çünki o, hər hansı ölçmə və ya skan prosesinin atomun və ya digər obyektin bütün məlumatlarını çıxarmayacağı prinsipini pozduğuna inanırdı. Qeyri-müəyyənlik prinsipinə görə, obyekt nə qədər dəqiq skan edilərsə, obyektin ilkin vəziyyətinin artıq əldə etmək mümkün olmayacaq dərəcədə pozulduğu nöqtəyə çatana qədər skan prosesi bir o qədər çox təsirlənir. dəqiq surət yaratmaq üçün kifayət qədər məlumat. Bu inandırıcı səslənir: əgər şəxs mükəmməl surət yaratmaq üçün obyektdən məlumat çıxara bilmirsə, sonuncunu yaratmaq mümkün deyil.
Butaylalar üçün kvant teleportasiyası
Lakin altı alim (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez və William Wuthers) Eynşteyn-Podolski kimi tanınan kvant mexanikasının məşhur və paradoksal xüsusiyyətindən istifadə edərək bu məntiqdən çıxış yolu tapdılar. Rosen effekti. Onlar teleport edilmiş A obyektinin məlumatının bir hissəsini skan etmək, yoxlanılmamış hissəsini isə qeyd olunan effekt vasitəsilə heç vaxt A ilə təmasda olmayan başqa C obyektinə köçürmək üçün bir yol tapdılar.
Bundan əlavə, skan edilmiş məlumatdan asılı olan təsiri C-yə tətbiq etməklə, skan etməzdən əvvəl C-ni A vəziyyətinə qoya bilərsiniz. A özü artıq eyni vəziyyətdə deyil, çünki o, skan prosesi ilə tamamilə dəyişdirilib, ona görə də əldə edilən şey replikasiya deyil, teleportasiyadır.
Mənzil üçün mübarizə
- İlk kvant teleportasiyası 1997-ci ildə İnsbruk Universiteti və Roma Universitetinin alimləri tərəfindən demək olar ki, eyni vaxtda həyata keçirilib. Təcrübə zamanı qütbləşməyə malik olan orijinal foton və dolaşıq foton cütlərindən biri elə dəyişdirildi ki, ikinci foton orijinalın qütbləşməsini aldı. Bu halda hər iki foton bir-birindən uzaqda idi.
- 2012-ci ildə başqa bir kvant teleportasiyası (Çin, Elm və Texnologiya Universiteti) 97 km məsafədə yüksək dağ gölü vasitəsilə baş verdi. Huanq Yinin başçılıq etdiyi Şanxaydan olan bir qrup elm adamı şüanı dəqiq nişan almağa imkan verən bir təyinat mexanizmi hazırlamağı bacardı.
- Həmin ilin sentyabr ayında 143 km uzunluğunda rekord kvant teleportasiyası həyata keçirilmişdir. Avstriya Elmlər Akademiyasının və Universitetin Avstriya alimləriAnton Zeilinger başda olmaqla Vyana, La Palma və Tenerife iki Kanar adaları arasında kvant dövlətlərini uğurla köçürdü. Təcrübədə açıq kosmosda iki optik rabitə xəttindən, kvant və klassik, tezliklə əlaqəli olmayan qütbləşmə, dolaşıq mənbə foton cütü, ultra aşağı səs-küylü tək foton detektorları və birləşdirilmiş saat sinxronizasiyasından istifadə edilib.
- 2015-ci ildə ABŞ Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunun tədqiqatçıları ilk dəfə optik lif vasitəsilə 100 km-dən çox məsafəyə məlumat ötürdülər. Bu, institutda molibden silisidindən hazırlanmış superkeçirici nanotellərdən istifadə edərək yaradılmış tək fotonlu detektorlar sayəsində mümkün olub.
Aydındır ki, ideal kvant sistemi və ya texnologiyası hələ mövcud deyil və gələcəyin böyük kəşfləri hələ qarşıdadır. Buna baxmayaraq, teleportasiyanın xüsusi tətbiqlərində mümkün namizədləri müəyyən etməyə cəhd etmək olar. Uyğun çərçivə və metodlar nəzərə alınmaqla bunların uyğun hibridləşdirilməsi kvant teleportasiyası və onun tətbiqləri üçün ən perspektivli gələcəyi təmin edə bilər.
Qısa məsafələr
Kvant hesablama alt sistemi kimi qısa məsafələrdə (1 m-ə qədər) teleportasiya yarımkeçirici cihazlar üçün perspektivlidir, onlardan ən yaxşısı QED sxemidir. Xüsusilə, superkeçirici transmon kubitlər deterministik və yüksək dəqiqlikli çipdə teleportasiyaya zəmanət verə bilər. Onlar həmçinin real vaxt rejimində birbaşa yemə icazə verirlərfotonik çiplərdə problemli görünür. Bundan əlavə, onlar daha genişlənən arxitektura və mövcud texnologiyaların daha yaxşı inteqrasiyasını təmin edir, məsələn, tutulmuş ionlar kimi əvvəlki yanaşmalarla. Hazırda bu sistemlərin yeganə çatışmazlığı onların məhdud uyğunluq müddəti (<100 µs) kimi görünür. Bu problem QED dövrəsini yarımkeçirici spin-ansambl yaddaş hüceyrələri ilə (azotla əvəz edilmiş vakansiyalar və ya nadir torpaq qatqılı kristallarla) inteqrasiya etməklə həll edilə bilər ki, bu da kvant məlumatlarının saxlanması üçün uzun bir ardıcıllıq müddəti təmin edə bilər. Bu tətbiq hazırda elmi ictimaiyyətin böyük səyinin mövzusudur.
Şəhər rabitəsi
Şəhər miqyasında (bir neçə kilometr) teleportasiya rabitəsi optik rejimlərdən istifadə etməklə inkişaf etdirilə bilər. Kifayət qədər az itki ilə bu sistemlər yüksək sürət və bant genişliyi təmin edir. Onlar ansambl kvant yaddaşı ilə mümkün inteqrasiya ilə, masaüstü proqramlardan hava və ya lif üzərində işləyən orta mənzilli sistemlərə qədər genişləndirilə bilər. Daha uzun məsafələrə, lakin daha aşağı sürətlərə hibrid yanaşma ilə və ya qeyri-Qauss prosesləri əsasında yaxşı təkrarlayıcılar hazırlamaqla nail olmaq olar.
Uzun məsafəli rabitə
Uzun məsafəli kvant teleportasiyası (100 km-dən çox) aktiv ərazidir, lakin hələ də açıq problemdən əziyyət çəkir. Qütbləşmə qubitləri -uzun lifli bağlantılar və hava üzərindən aşağı sürətli teleportasiya üçün ən yaxşı operatorlardır, lakin Zəngin natamam aşkarlanması səbəbindən protokol hazırda ehtimallıdır.
Ehtimallı teleportasiya və dolaşıqlıqlar dolaşıq distillə və kvant kriptoqrafiyası kimi problemlər üçün məqbul olsa da, bu, girişin tamamilə qorunub saxlanmalı olduğu ünsiyyətdən açıq şəkildə fərqlənir.
Bu ehtimal xarakterini qəbul etsək, peyk tətbiqləri müasir texnologiyanın imkanları daxilindədir. İzləmə üsullarının inteqrasiyası ilə yanaşı, əsas problem şüaların yayılması nəticəsində yaranan yüksək itkilərdir. Dolaşmanın peykdən böyük diyaframlı yer əsaslı teleskoplara yayıldığı konfiqurasiyada bunun öhdəsindən gəlmək olar. 600 km hündürlükdə 20 sm peyk aperturasını və yerdə 1 m teleskop aperturasını fərz etsək, təqribən 75 dB aşağı əlaqə itkisi gözlənilə bilər ki, bu da yer səviyyəsində 80 dB itkidən azdır. Yerdən peykə və ya peykdən peykə tətbiqlər daha mürəkkəbdir.
Kvant yaddaşı
Teleportasiyanın genişləndirilə bilən şəbəkənin bir hissəsi kimi gələcəkdə istifadəsi birbaşa onun kvant yaddaşı ilə inteqrasiyasından asılıdır. Sonuncunun çevrilmə səmərəliliyi, qeyd və oxu dəqiqliyi, saxlama vaxtı və ötürmə qabiliyyəti, yüksək sürət və saxlama qabiliyyəti baxımından əla radiasiyadan maddəyə interfeysi olmalıdır. BirinciBu, öz növbəsində, xətaların düzəldilməsi kodlarından istifadə etməklə rabitənin birbaşa ötürülmədən çox uzadılması üçün relelərin istifadəsinə imkan verəcək. Yaxşı kvant yaddaşının inkişafı təkcə şəbəkə və teleportasiya rabitəsi üzərində dolaşıqlığı yaymağa deyil, həm də saxlanılan məlumatları ardıcıl şəkildə emal etməyə imkan verəcəkdir. Nəhayət, bu, şəbəkəni qlobal şəkildə paylanmış kvant kompüterinə və ya gələcək kvant internetinin əsasına çevirə bilər.
Ümidverici inkişaflar
Atom ansamblları ənənəvi olaraq işığın maddəyə səmərəli çevrilməsi və qlobal miqyasda işığı ötürmək üçün lazım olan 100ms qədər yüksək ola bilən millisaniyəlik ömürlərinə görə cəlbedici hesab edilirdi. Bununla belə, bu gün əla spin-ansambl kvant yaddaşının miqyaslana bilən QED dövrə arxitekturası ilə inteqrasiya olunduğu yarımkeçirici sistemlər əsasında daha perspektivli inkişaflar gözlənilir. Bu yaddaş təkcə QED dövrəsinin uyğunluq müddətini uzatmaqla yanaşı, həm də optik-telekom və mikrodalğalı fotonların qarşılıqlı çevrilməsi üçün optik-mikrodalğalı interfeys təmin edə bilər.
Beləliklə, kvant interneti sahəsində alimlərin gələcək kəşfləri, çox güman ki, kvant məlumatını emal etmək üçün yarımkeçirici qovşaqlarla birləşdirilmiş uzun mənzilli optik rabitəyə əsaslanacaq.
