Кванттык телепортация - кванттык маалыматтагы эң маанилүү протоколдордун бири. Чаташкан физикалык ресурстун негизинде ал ар кандай маалыматтык тапшырмалардын негизги элементи катары кызмат кылат жана кванттык технологиялардын маанилүү компоненти болуп саналат, кванттык эсептөөлөрдү, тармактарды жана байланышты андан ары өнүктүрүүдө негизги ролду ойнойт.
Илимий фантастикадан илимпоздордун ачылышына чейин
Кванттык телепортация ачылгандан бери жыйырма жылдан ашык убакыт өттү, бул кванттык механиканын «кызыкчылыгынын» эң кызыктуу жана эң кызыктуу натыйжаларынын бири болуп саналат. Бул улуу ачылыштар жасалганга чейин бул идея фантастика чөйрөсүнө таандык болчу. Биринчи жолу 1931-жылы Чарльз Х. Форт тарабынан ойлоп табылган "телепортация" термини ошондон бери денелер менен объектилердин ортосундагы аралыкты басып өтпөстөн бир жерден экинчи жерге которулуу процессине карата колдонулуп келет.
1993-жылы кванттык маалымат протоколун сүрөттөгөн макала жарыяланган."кванттык телепортация", жогоруда саналып өткөн бир нече өзгөчөлүктөргө ээ. Анда физикалык системанын белгисиз абалы өлчөнөт жана кийинчерээк кайра чыгарылат же алыскы жерде «кайра чогултулат» (баштапкы системанын физикалык элементтери берүү жеринде калат). Бул процесс байланыштын классикалык каражаттарын талап кылат жана FTL байланышын жокко чыгарат. Бул чырмалышкан ресурс керек. Чындыгында, телепортация чырмалуунун мүнөзүн эң ачык көрсөткөн кванттык маалымат протоколу катары каралышы мүмкүн: анын катышуусусуз, мындай берүү абалы кванттык механиканы сүрөттөгөн мыйзамдардын алкагында мүмкүн эмес.
Телепортация маалымат илимин өнүктүрүүдө активдүү роль ойнойт. Бир жагынан алганда, бул формалдуу кванттык маалымат теориясын өнүктүрүүдө чечүүчү ролду ойногон концептуалдык протокол, ал эми экинчи жагынан, көптөгөн технологиялардын негизги компоненти болуп саналат. Кванттык кайталоочу узак аралыктагы байланыштын негизги элементи болуп саналат. Кванттык коммутатор телепортация, өлчөмгө негизделген эсептөө жана кванттык тармактар анын туундулары. Ал ошондой эле убакыттын ийри сызыктары жана кара тешиктердин бууланышы боюнча "экстремалдуу" физиканы изилдөө үчүн жөнөкөй курал катары колдонулат.
Бүгүн кванттык телепортация дүйнө жүзүндөгү лабораторияларда ар кандай субстраттарды жана технологияларды, анын ичинде фотондук кубиттерди, ядролук магниттик резонанстарды, оптикалык режимдерди, атомдордун топторун, камалып калган атомдорду жанажарым өткөргүч системалар. Телепортация диапазонунда эц сонун натыйжаларга жетишилди, спутниктер менен эксперименттер келе жатат. Кошумчалай кетсек, татаалыраак системаларга чейин кеңейтүү аракеттери башталды.
Кубиттердин телепортациясы
Кванттык телепортация биринчи жолу кубиттер деп аталган эки деңгээлдүү системалар үчүн сүрөттөлгөн. Протокол эки алыскы тарапты карайт, алар Алиса жана Боб деп аталат, алар 2 кубитти бөлүшөт, А жана В, таза чырмалышкан абалда, ошондой эле Белл жуп деп аталат. Киргизүүдө Алисага дагы бир кубит a берилет, анын абалы ρ белгисиз. Андан кийин ал Bell аныктоо деп аталган биргелешкен кванттык өлчөө жүргүзөт. Төрт Белл штатынын бирине а жана А керектелет. Натыйжада, өлчөө учурунда Алисанын киргизген кубитинин абалы жоголуп, Бобдун В кубити бир эле учурда Р†kρP проекциясына чыгат. k. Протоколдун акыркы этабында Элис өзүнүн өлчөөнүн классикалык жыйынтыгын Бобго жөнөтөт, ал Pk баштапкы ρ. калыбына келтирүү үчүн Паули операторун колдонот.
Алисанын кубитинин баштапкы абалы белгисиз деп эсептелет, анткени антпесе протокол анын алыстан өлчөөсүнө кыскартылат. Же болбосо, ал үчүнчү тарап менен бөлүшүлгөн чоңураак курамдык системанын бир бөлүгү болушу мүмкүн (мындай учурда ийгиликтүү телепортация ошол үчүнчү тарап менен болгон бардык байланыштарды кайра чыгарууну талап кылат).
Типтүү кванттык телепортация эксперименти баштапкы абалды таза жана чектелген алфавитке таандык деп болжолдойт,мисалы, Блох сферасынын алты уюлдары. Декогеренция болгон учурда реконструкцияланган абалдын сапатын F ∈ [0, 1] телепортация тактыгы менен сандык аныктоого болот. Бул Алиса менен Бобдун штаттарынын ортосундагы тактык, Bell аныктоонун бардык натыйжалары жана баштапкы алфавит боюнча орточо алынган. Төмөн тактык баалуулуктарында, бүдөмүк ресурсту колдонбостон, кемчиликсиз телепортацияга жол берген ыкмалар бар. Мисалы, Алиса натыйжаларды Бобго жөнөтүү менен анын баштапкы абалын түздөн-түз өлчөй алат. Бул өлчөө-даярдоо стратегиясы "классикалык телепортация" деп аталат. Анын эң жогорку тактыгы Fclass=2/3 ыктыярдуу киргизүү абалы үчүн, ал Блох сферасынын алты уюлу сыяктуу өз ара калыс абалдардын алфавитине барабар.
Ошентип, кванттык ресурстарды колдонуунун айкын көрсөткүчү - тактык мааниси F> Fclass.
Бир да кубит эмес
Кванттык физикага ылайык, телепортация кубиттер менен эле чектелбейт, ал көп өлчөмдүү системаларды камтышы мүмкүн. Ар бир чектүү d өлчөмү үчүн максималдуу чырмалышкан абалдын векторлорунун негизинде идеалдуу телепортация схемасын түзсө болот, аны берилген максималдуу чырмалышкан абалдан жана {Uk} tr(U †j Uk)=dδj, k . Мындай протокол ар кандай чектүү өлчөмдүү Гильберт үчүн түзүлүшү мүмкүндеп аталган мейкиндиктер. дискреттик өзгөрмө системалар.
Мындан тышкары, кванттык телепортация үзгүлтүксүз өзгөрмө системалар деп аталган чексиз өлчөмдүү Гильберт мейкиндиги бар системаларга да жайылтылат. Эреже катары, алар оптикалык бозондук режимдер аркылуу ишке ашырылат, алардын электр талаасы квадратуралык операторлор тарабынан сүрөттөлөт.
Ылдамдык жана белгисиздик принциби
Кванттык телепортациянын ылдамдыгы кандай? Маалымат классикалык берүүнүн бирдей көлөмүнө окшош ылдамдыкта - балким жарыктын ылдамдыгы менен берилет. Теориялык жактан, аны классикалык колдонбогон жолдор менен колдонсо болот, мисалы, маалымат алуучуга гана жеткиликтүү болгон кванттык эсептөөдө.
Кванттык телепортация белгисиздик принцибин бузабы? Мурда телепортация идеясы илимпоздор тарабынан анча деле олуттуу кабыл алынган эмес, анткени ал кандайдыр бир өлчөө же сканерлөө процесси атомдун же башка объекттин бардык маалыматын чыгара албайт деген принципти бузат деп ойлошкон. Белгисиздик принцибине ылайык, объект канчалык так сканерленсе, ага сканерлөө процесси ошончолук көп таасир этет, объекттин баштапкы абалы мындан ары алуу мүмкүн болбой турган даражада бузулган чекке жеткенге чейин. так көчүрмөсүн түзүү үчүн жетиштүү маалымат. Бул ынандырарлык угулат: эгер адам идеалдуу көчүрмөнү түзүү үчүн объекттен маалыматты чыгарып албаса, анда акыркысын жасоо мүмкүн эмес.
Муляждар үчүн кванттык телепортация
Бирок алты илимпоз (Чарльз Беннетт, Жиллес Брассард, Клод Крепо, Ричард Хоса, Ашер Перес жана Уильям Вузерс) Эйнштейн-Подольский деп аталган кванттык механиканын атактуу жана парадоксалдуу өзгөчөлүгүн колдонуу менен бул логиканы айланып өтүүнүн жолун табышты. Розен эффекти. Алар телепорттолгон А объектисинин маалыматынын бир бөлүгүн сканерлөөнүн жолун табышты, ал эми текшерилбеген бөлүгүн аталган эффект аркылуу A.
менен эч качан байланышта болбогон башка C объектисине өткөрүп беришти.
Мындан ары, Ска сканерленген маалыматка көз каранды болгон таасирди колдонуу менен, сиз сканерден мурун Cти А абалына кое аласыз. Сканерлөө процесси аркылуу толугу менен өзгөртүлгөндүктөн, A өзү мурдагыдай абалда эмес, андыктан репликация эмес, телепортация жетишилди.
Аралык үчүн күрөш
- Биринчи кванттык телепортация 1997-жылы Инсбрук университетинин жана Рим университетинин окумуштуулары тарабынан дээрлик бир убакта ишке ашырылган. Тажрыйба учурунда поляризацияга ээ болгон оригиналдуу фотон жана чырмалышкан фотондордун жуптарынын бири экинчи фотон түпнускасынын поляризациясын алгандай өзгөртүлгөн. Бул учурда эки фотон тең бири-биринен алыс болгон.
- 2012-жылы дагы бир кванттык телепортация (Кытай, Илим жана технология университети) 97 км аралыктагы бийик тоолуу көл аркылуу ишке ашты. Хуан Ин жетектеген Шанхайдан келген окумуштуулар тобу нурду так багыттоого мүмкүндүк берген үйгө баруу механизмин иштеп чыгууга жетишти.
- Ошол эле жылдын сентябрь айында 143 км узундуктагы рекорддук кванттык телепортация ишке ашырылган. Австриянын илимдер академиясынын жана университетинин австриялык окумуштууларыАнтон Зейлингер жетектеген Вена Ла-Пальма жана Тенерифе эки Канар аралынын ортосундагы кванттык мамлекеттерди ийгиликтүү өткөрдү. Экспериментте ачык мейкиндикте эки оптикалык байланыш линиясы колдонулган, кванттык жана классикалык, жыштыктын корреляцияланбаган поляризациясы чырмалышкан булак фотондорунун жуптары, ультра аз ызы-чуу бир фотондук детекторлор жана бириккен саат синхрондоштуруу.
- 2015-жылы АКШнын Улуттук стандарттар жана технология институтунун изилдөөчүлөрү биринчи жолу оптикалык була аркылуу 100 кмден ашык аралыкка маалымат таратышкан. Бул институтта молибден силицидинен жасалган супер өткөргүч нано зымдарды колдонуу менен түзүлгөн бир фотондуу детекторлордун аркасында мүмкүн болду.
Идеалдуу кванттык система же технология али жок экени жана келечектин улуу ачылыштары али алдыда экени анык. Ошого карабастан, телепортациянын конкреттүү тиркемелеринде мүмкүн болгон талапкерлерди аныктоого аракет кылса болот. Алардын ылайыктуу гибриддештирүү, шайкеш алкактарды жана методдорду эске алуу менен, кванттык телепортация жана анын колдонмолору үчүн эң келечектүү келечекти камсыздай алат.
Кыска аралыктар
Канттык эсептөөчү подсистема катары кыска аралыкта (1 мге чейин) телепортация жарым өткөргүч түзүлүштөр үчүн келечектүү, алардын ичинен эң жакшысы QED схемасы. Атап айтканда, супер өткөргүч трансмон кубиттери детерминисттик жана жогорку тактыктагы чиптеги телепортацияга кепилдик бере алат. Алар ошондой эле реалдуу убакытта түздөн-түз тоют берет, кайсыфотоникалык чиптерде көйгөйлүү көрүнөт. Мындан тышкары, алар капталган иондор сыяктуу мурунку ыкмаларга салыштырмалуу масштабдуу архитектураны жана учурдагы технологиялардын жакшы интеграциясын камсыз кылат. Азыркы учурда, бул системалардын бирден-бир кемчилиги алардын чектелген когеренттүү убактысы (<100 мкс) болуп саналат. Бул маселени QED схемасын жарым өткөргүчтүү спин-ансамблдик эс тутум клеткалары (азот менен алмаштырылган вакансиялар же сейрек кездешүүчү кристаллдар) менен интеграциялоо жолу менен чечсе болот, бул кванттык маалыматтарды сактоо үчүн узак когеренттүү убакытты камсыздай алат. Бул ишке ашыруу учурда илимий коомчулуктун көп аракетинин предмети болуп саналат.
Шаардык байланыш
Шаардык масштабдагы (бир нече километр) телепортация байланышын оптикалык режимдерди колдонуу менен өнүктүрүүгө болот. Жетиштүү аз жоготуулар менен бул системалар жогорку ылдамдыкты жана өткөрүү жөндөмдүүлүгүн камсыз кылат. Аларды рабочий ишке киргизүүдөн аба же була аркылуу иштеген орто диапазондогу системаларга чейин кеңейтүүгө болот, ансамблдин кванттык эс тутуму менен интеграцияланышы мүмкүн. Узак аралыктарды, бирок ылдамдыкты азыраак кылып, гибриддик ыкма менен же Гаусстук эмес процесстерге негизделген жакшы ретрансляторлорду иштеп чыгуу менен жетишүүгө болот.
Узак аралык байланыш
Узак аралыкка кванттык телепортация (100 кмден ашык) активдүү аймак, бирок дагы эле ачык көйгөйдөн жапа чегип келет. Поляризация кубиттери -узун була байланыштары жана аба аркылуу төмөн ылдамдыктагы телепортация үчүн эң мыкты операторлор, бирок Bell толук аныкталбагандыктан протокол учурда ыктымалдуу.
Иктималдуу телепортация жана чырмалуулар чырмалышкан дистилляция жана кванттык криптография сыяктуу көйгөйлөр үчүн алгылыктуу болгону менен, бул киргизүү толук сакталышы керек болгон байланыштан ачык айырмаланат.
Эгер биз бул ыктымалдык мүнөздү кабыл алсак, анда спутниктик ишке ашыруу заманбап технологиянын мүмкүнчүлүгүнө ээ. Көз салуу ыкмаларын интеграциялоодон тышкары, негизги көйгөй - нурдун жайылышынан келип чыккан жогорку жоготуулар. Муну спутниктен ири диафрагма жер үстүндөгү телескоптарга таралган конфигурацияда жеңүүгө болот. Спутниктин 600 км бийиктикте 20 см апертурасын жана жерде 1 м телескоптун апертурасын болжолдосок, болжол менен 75 дБ төмөндөө жоготууларын күтүүгө болот, бул жер деңгээлиндеги 80 дБ жоготуудан азыраак. Жерден спутникке же спутниктен спутникке өткөрүү татаалыраак.
Кванттык эстутум
Телепортациянын келечектеги масштабдалуучу тармактын бир бөлүгү катары колдонулушу анын кванттык эс тутум менен интеграциясынан түздөн-түз көз каранды. Акыркысы конверсиянын эффективдүүлүгү, жазуу жана окуу тактыгы, сактоо убактысы жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү, жогорку ылдамдык жана сактоо сыйымдуулугу боюнча эң сонун радиациядан затка интерфейске ээ болушу керек. БиринчиӨз кезегинде, бул катаны оңдоо коддору аркылуу байланышты түз берүүдөн алда канча кеңейтүү үчүн релелерди колдонууга мүмкүндүк берет. Жакшы кванттык эстутумду өнүктүрүү түйүн жана телепортация байланышы боюнча чырмалышты жайылтууга гана эмес, ошондой эле сакталган маалыматты ырааттуу иштетүүгө мүмкүндүк бермек. Акыр-аягы, бул тармакты глобалдуу бөлүштүрүлгөн кванттык компьютерге же келечектеги кванттык интернеттин негизине айландырышы мүмкүн.
Перспективдүү өнүгүүлөр
Атомдук ансамблдер жарыкты затка эффективдүү айландыруу жана алардын миллисекунддук иштөө мөөнөттөрү менен салттуу түрдө жагымдуу деп эсептелинет, бул дүйнөлүк масштабда жарыкты өткөрүү үчүн зарыл болгон 100 мс чейин болушу мүмкүн. Бирок, бүгүнкү күндө эң сонун спин-ансамблдик кванттык эс тутуму масштабдалуучу QED схемасынын архитектурасы менен түздөн-түз интеграцияланган жарым өткөргүч системалардын негизинде дагы келечектүү өнүгүүлөр күтүлүүдө. Бул эс тутум QED схемасынын когеренттүү убактысын гана узартпастан, ошондой эле оптикалык-телеком жана микротолкундуу фотондордун микротолкундарын конверсиялоо үчүн оптикалык микротолкундуу интерфейсти да камсыздай алат.
Ошентип, окумуштуулардын кванттык интернет тармагындагы келечектеги ачылыштары кванттык маалыматты иштетүү үчүн жарым өткөргүч түйүндөр менен бирге узак аралыктагы оптикалык байланышка негизделиши мүмкүн.
