Kvant teleportatsiyasi kvant axborotidagi eng muhim protokollardan biridir. Chiqib ketishning jismoniy resursiga asoslanib, u turli xil axborot vazifalarining asosiy elementi bo'lib xizmat qiladi va kvant texnologiyalarining muhim tarkibiy qismi bo'lib, kvant hisoblash, tarmoqlar va aloqani yanada rivojlantirishda asosiy rol o'ynaydi.
Ilmiy fantastikadan olimlarning kashfiyotigacha
Kvant mexanikasining "g'aroyibligi" ning eng qiziqarli va hayajonli oqibatlaridan biri bo'lgan kvant teleportatsiyasi kashf etilganiga yigirma yildan ko'proq vaqt o'tdi. Ushbu buyuk kashfiyotlar amalga oshirilgunga qadar bu g'oya ilmiy fantastika sohasiga tegishli edi. Birinchi marta 1931 yilda Charlz H. Fort tomonidan kiritilgan "teleportatsiya" atamasi o'sha paytdan beri jismlar va jismlarning ular orasidagi masofani bosib o'tmasdan bir joydan ikkinchi joyga ko'chirilishi jarayonini ifodalash uchun ishlatilgan.
1993 yilda kvant axborot protokolini tavsiflovchi maqola chop etildi. Yuqorida sanab o'tilgan bir nechta xususiyatlarni o'rtoqlashtirgan "kvant teleportatsiyasi". Unda jismoniy tizimning noma'lum holati o'lchanadi va keyinchalik uzoq joyda qayta ishlab chiqariladi yoki "qayta yig'iladi" (asl tizimning jismoniy elementlari uzatish joyida qoladi). Bu jarayon klassik aloqa vositalarini talab qiladi va FTL aloqasini istisno qiladi. U chalkashlik manbaiga muhtoj. Aslida, teleportatsiyani chigallanish tabiatini eng aniq ko'rsatuvchi kvant axborot protokoli sifatida ko'rish mumkin: uning ishtirokisiz kvant mexanikasini tavsiflovchi qonunlar doirasida bunday uzatish holatini amalga oshirish mumkin emas edi.
Teleportatsiya axborot fani rivojlanishida faol rol oʻynaydi. Bir tomondan, bu rasmiy kvant axborot nazariyasini ishlab chiqishda hal qiluvchi rol o'ynaydigan kontseptual protokol bo'lsa, ikkinchi tomondan, u ko'plab texnologiyalarning asosiy tarkibiy qismidir. Kvant takrorlagichi uzoq masofalardagi aloqaning asosiy elementidir. Kvant kalitini teleportatsiya qilish, o'lchamga asoslangan hisoblash va kvant tarmoqlari uning hosilalaridir. Bundan tashqari, u vaqt egri chizig'i va qora tuynuk bug'lanishiga oid "ekstremal" fizikani o'rganish uchun oddiy vosita sifatida ishlatiladi.
Bugungi kunda kvant teleportatsiyasi butun dunyo boʻylab laboratoriyalarda koʻplab turli substratlar va texnologiyalar, jumladan fotonik kubitlar, yadro magnit-rezonansi, optik rejimlar, atomlar guruhlari, tuzoqqa tushgan atomlar va boshqalar yordamida tasdiqlangan.yarimo'tkazgichli tizimlar. Teleportatsiya diapazoni sohasida ajoyib natijalarga erishildi, sun'iy yo'ldoshlar bilan tajribalar olib borilmoqda. Bundan tashqari, murakkabroq tizimlarni kengaytirishga urinishlar boshlandi.
Kubitlarning teleportatsiyasi
Kvant teleportatsiyasi birinchi marta kubitlar deb ataladigan ikki darajali tizimlar uchun tasvirlangan. Protokol Elis va Bob ismli ikkita uzoq tomonlarni ko'rib chiqadi, ular A va B 2 kubitni bo'lishadi, ular qo'ng'iroq juftligi deb ham ataladi. Kirishda Elisga yana bir qubit a beriladi, uning holati r noma'lum. Keyin u qo'ng'iroqni aniqlash deb nomlangan qo'shma kvant o'lchovini amalga oshiradi. To'rtta Bell holatidan biriga a va A ni oladi. Natijada, o'lchash vaqtida Elisning kirish kubitining holati yo'qoladi va Bobning B kubiti bir vaqtning o'zida R†krP ga proyeksiyalanadi. k. Protokolning oxirgi bosqichida Elis o'zining klassik o'lchov natijasini Bobga yuboradi, u asl r. ni tiklash uchun Pauli operatori Pk foydalanadi.
Elis kubitining dastlabki holati noma'lum deb hisoblanadi, chunki aks holda protokol masofaviy o'lchashga qisqartiriladi. Shu bilan bir qatorda, uning oʻzi uchinchi tomon bilan boʻlingan kattaroq kompozit tizimning bir qismi boʻlishi mumkin (bu holda muvaffaqiyatli teleportatsiya uchinchi tomon bilan barcha oʻzaro bogʻliqliklarni takrorlashni talab qiladi).
Kvant teleportatsiyasining odatiy tajribasi dastlabki holatni sof va cheklangan alifboga tegishli deb taxmin qiladi,masalan, Blox sferasining oltita qutbi. Dekogerentlik mavjud bo'lganda, rekonstruksiya qilingan holat sifatini F ∈ [0, 1] teleportatsiya aniqligi bilan aniqlash mumkin. Bu Elis va Bob shtatlari o'rtasidagi aniqlik bo'lib, barcha Bellni aniqlash natijalari va asl alifbo bo'yicha o'rtacha hisoblanadi. Kam aniqlik qiymatlarida, noaniq manbadan foydalanmasdan nomukammal teleportatsiyaga imkon beruvchi usullar mavjud. Misol uchun, Elis natijani tayyorlash uchun natijalarni Bobga yuborish orqali o'zining dastlabki holatini bevosita o'lchashi mumkin. Ushbu o'lchovga tayyorgarlik strategiyasi "klassik teleportatsiya" deb ataladi. Uning maksimal aniqligi Fclass=2/3 ixtiyoriy kiritish holati uchun, bu Bloch sferasining olti qutbi kabi oʻzaro xolis holatlar alifbosiga teng.
Shunday qilib, kvant resurslaridan foydalanishning aniq belgisi F> Fsinf.
Bir qubit ham emas
Kvant fizikasiga ko'ra, teleportatsiya faqat kubitlar bilan cheklanmaydi, u ko'p o'lchovli tizimlarni o'z ichiga olishi mumkin. Har bir chekli o'lchov d uchun, berilgan maksimal chigallashgan holatdan va {Uk} asosidan olinishi mumkin bo'lgan maksimal chigal holat vektorlari asosida ideal teleportatsiya sxemasini shakllantirish mumkin. tr(U †j Uk)=ddj, k . Bunday protokol har qanday chekli o'lchovli Gilbert uchun tuzilishi mumkindeb atalmish bo'shliqlar. diskret o'zgaruvchan tizimlar.
Bundan tashqari, kvant teleportatsiyasini uzluksiz oʻzgaruvchan tizimlar deb ataladigan cheksiz oʻlchamli Gilbert fazosiga ega tizimlarga ham kengaytirish mumkin. Qoida tariqasida, ular optik bozonik rejimlar orqali amalga oshiriladi, ularning elektr maydoni kvadratura operatorlari tomonidan tasvirlanishi mumkin.
Tezlik va noaniqlik printsipi
Kvant teleportatsiyasining tezligi qanday? Ma'lumot klassik uzatish tezligiga o'xshash tezlikda - ehtimol yorug'lik tezligida uzatiladi. Nazariy jihatdan, undan klassik tarzda foydalana olmaydigan usullarda foydalanish mumkin, masalan, kvant hisoblashda, bunda maʼlumotlar faqat qabul qiluvchiga taqdim etiladi.
Kvant teleportatsiyasi noaniqlik tamoyilini buzadimi? Ilgari, teleportatsiya g'oyasi olimlar tomonidan unchalik jiddiy qabul qilinmagan, chunki u har qanday o'lchash yoki skanerlash jarayoni atom yoki boshqa ob'ektning barcha ma'lumotlarini chiqarib tashlamaydi degan tamoyilni buzadi deb hisoblangan. Noaniqlik printsipiga ko'ra, ob'ekt qanchalik aniq skanerdan o'tkazilsa, skanerlash jarayoni shunchalik ko'p ta'sir qiladi, ob'ektning asl holati shu darajada buzilganki, uni olishning iloji yo'q. aniq nusxasini yaratish uchun etarli ma'lumot. Bu ishonarli tuyuladi: agar odam mukammal nusxa yaratish uchun ob'ektdan ma'lumot chiqarib olmasa, oxirgi nusxasini yaratib bo'lmaydi.
Dammilar uchun kvant teleportatsiyasi
Ammo oltita olim (Charlz Bennet, Gilles Brassard, Klod Krepo, Richard Xosa, Asher Peres va Uilyam Vuzers) Eynshteyn-Podolskiy deb nomlanuvchi kvant mexanikasining mashhur va paradoksal xususiyatidan foydalanib, bu mantiqdan chiqish yo‘lini topdilar. Rosen effekti. Ular teleportatsiya qilingan A ob'ekti ma'lumotlarining bir qismini skanerlash yo'lini topdilar va tekshirilmagan qismini yuqorida qayd etilgan effekt orqali hech qachon A bilan aloqada bo'lmagan boshqa C ob'ektiga o'tkazishdi.
Bundan tashqari, skanerlangan ma'lumotlarga bog'liq bo'lgan ta'sirni C ga qo'llash orqali skanerlashdan oldin C ni A holatiga qo'yishingiz mumkin. A o‘zi endi bir xil holatda emas, chunki u skanerlash jarayonida butunlay o‘zgartirilgan, shuning uchun erishilgan narsa replikatsiya emas, teleportatsiya bo‘ldi.
Daryo uchun kurash
- Birinchi kvant teleportatsiyasi 1997 yilda Insbruk va Rim universitetlari olimlari tomonidan deyarli bir vaqtda amalga oshirilgan. Tajriba davomida qutblanish xususiyatiga ega bo'lgan asl foton va o'ralgan fotonlarning bir jufti shunday o'zgartirildiki, ikkinchi foton asl fotonning qutblanishini oldi. Bu holda ikkala foton ham bir-biridan uzoqda edi.
- 2012-yilda (Xitoy, Fan va texnologiya universiteti) 97 km masofadagi baland togʻli koʻl orqali navbatdagi kvant teleportatsiyasi sodir boʻldi. Xuan Yin boshchiligidagi Shanxaylik olimlar guruhi nurni aniq nishonga olish imkonini beruvchi uyga joylashish mexanizmini ishlab chiqishga muvaffaq bo‘ldi.
- Oʻsha yilning sentyabr oyida 143 km uzunlikdagi rekord kvant teleportatsiyasi amalga oshirildi. Avstriya fanlar akademiyasi va universitetining avstriyalik olimlariAnton Zailinger boshchiligidagi Vena ikki Kanar orollari La Palma va Tenerife o'rtasida kvant holatlarini muvaffaqiyatli o'tkazdi. Tajribada ochiq fazoda ikkita optik aloqa liniyasi, kvant va klassik, chastotali korrelyatsiya qilinmagan qutblanish, chigallashgan manba fotonlari juftligi, ultra past shovqinli bitta fotonli detektorlar va birlashtirilgan soat sinxronizatsiyasidan foydalanildi.
- 2015-yilda AQSH Milliy standartlar va texnologiyalar instituti tadqiqotchilari birinchi marta optik tola orqali 100 km dan ortiq masofaga maʼlumot uzatdilar. Bu institutda molibden silisiddan tayyorlangan oʻta oʻtkazuvchan nanosimlardan foydalangan holda yaratilgan yagona fotonli detektorlar tufayli mumkin boʻldi.
Ideal kvant tizimi yoki texnologiyasi hali mavjud emasligi va kelajakning buyuk kashfiyoti hali oldinda ekanligi aniq. Shunga qaramay, teleportatsiyaning muayyan ilovalarida mumkin bo'lgan nomzodlarni aniqlashga harakat qilish mumkin. Mos asos va usullarni hisobga olgan holda ularning mos gibridlanishi kvant teleportatsiyasi va uning ilovalari uchun eng istiqbolli kelajakni taʼminlashi mumkin.
Qisqa masofalar
Kvant hisoblash quyi tizimi sifatida qisqa masofalarda (1 m gacha) teleportatsiya yarimo'tkazgichli qurilmalar uchun istiqbolli bo'lib, ularning eng yaxshisi QED sxemasi hisoblanadi. Xususan, o'ta o'tkazuvchan transmon kubitlar chipdagi deterministik va yuqori aniqlikdagi teleportatsiyani kafolatlashi mumkin. Ular, shuningdek, real vaqtda to'g'ridan-to'g'ri ozuqa ruxsat, qaysifotonik chiplarda muammoli ko'rinadi. Bundan tashqari, ular tuzoqqa olingan ionlar kabi oldingi yondashuvlarga nisbatan kengaytiriladigan arxitekturani va mavjud texnologiyalarni yaxshiroq integratsiyalashuvini ta'minlaydi. Hozirgi vaqtda ushbu tizimlarning yagona kamchiliklari ularning cheklangan muvofiqlik vaqti (<100 mks) bo'lib ko'rinadi. Ushbu muammoni QED sxemasini yarimo'tkazgichli spin-ansambl xotira hujayralari (azot o'rnini bosuvchi vakansiyalar yoki noyob tuproqli kristallar bilan) bilan integratsiyalash orqali hal qilish mumkin, bu kvant ma'lumotlarini saqlash uchun uzoq kogerentlik vaqtini ta'minlaydi. Hozirda bu amaliyot ilmiy hamjamiyat tomonidan katta kuch sarflanmoqda.
Shahar aloqasi
Shahar miqyosida (bir necha kilometr) teleportatsiya aloqasini optik rejimlar yordamida rivojlantirish mumkin edi. Etarlicha past yo'qotishlar bilan ushbu tizimlar yuqori tezlik va tarmoqli kengligini ta'minlaydi. Ular ansambl kvant xotirasi bilan integratsiyalashgan holda ish stoli ilovalaridan havo yoki tola orqali ishlaydigan o'rta masofali tizimlarga kengaytirilishi mumkin. Gibrid yondashuv yoki Gauss bo'lmagan jarayonlarga asoslangan yaxshi takrorlagichlarni ishlab chiqish orqali uzoqroq masofalarga, lekin past tezliklarga erishish mumkin.
Olis masofali aloqa
Olis masofali kvant teleportatsiyasi (100 km dan ortiq) faol hududdir, lekin hali ham ochiq muammodan aziyat chekmoqda. Polarizatsiya kubitlari -uzoq tolali havolalar va havo orqali past tezlikda teleportatsiya uchun eng yaxshi tashuvchilar, lekin protokol hozirda Bell aniqlanmagani uchun ehtimollik darajasida.
Ehtimoliy teleportatsiya va chalkashliklar chalkash distillash va kvant kriptografiyasi kabi muammolar uchun maqbul boʻlsa-da, bu kirish toʻliq saqlanishi kerak boʻlgan aloqadan aniq farq qiladi.
Agar biz ushbu ehtimollik xususiyatini qabul qilsak, sun'iy yo'ldoshni amalga oshirish zamonaviy texnologiyalarning qo'lida. Kuzatuv usullarini integratsiyalashuviga qo'shimcha ravishda, asosiy muammo - nurning tarqalishidan kelib chiqadigan yuqori yo'qotishlar. Buni yo'ldoshdan katta diafragma yerga asoslangan teleskoplarga o'ralgan holda tarqatish mumkin bo'lgan konfiguratsiyada bartaraf etish mumkin. 600 km balandlikda sun'iy yo'ldoshning 20 sm diafragma va erdagi 1 m teleskop diafragmasini faraz qilsak, er sathida 80 dB yo'qotishdan kamroq bo'lgan 75 dB ga yaqin pastga ulanish yo'qolishini kutish mumkin. Yerdan sun'iy yo'ldoshga yoki sun'iy yo'ldoshga ulanish yanada murakkabroq.
Kvant xotira
Kelajakda teleportatsiyani kengaytiriladigan tarmoqning bir qismi sifatida ishlatish bevosita uning kvant xotirasi bilan integratsiyalashuviga bog'liq. Ikkinchisi konvertatsiya samaradorligi, ro'yxatga olish va o'qish aniqligi, saqlash vaqti va tarmoqli kengligi, yuqori tezlik va saqlash hajmi bo'yicha mukammal radiatsiyaviy interfeysga ega bo'lishi kerak. BirinchidanO'z navbatida, bu xatolarni tuzatish kodlari yordamida aloqani to'g'ridan-to'g'ri uzatishdan ancha kengaytirish uchun o'rni ishlatish imkonini beradi. Yaxshi kvant xotirasining rivojlanishi nafaqat tarmoq va teleportatsiya aloqasi bo'ylab chalkashliklarni tarqatish, balki saqlangan ma'lumotlarni izchil ravishda qayta ishlash imkonini beradi. Oxir oqibat, bu tarmoqni global taqsimlangan kvant kompyuteriga yoki kelajakdagi kvant interneti uchun asosga aylantirishi mumkin.
Istiqbolli ishlanmalar
Atom ansambllari yorugʻlikni moddaga samarali aylantirishi va global miqyosda yorugʻlikni oʻtkazish uchun zarur boʻlgan 100ms dan yuqori boʻlishi mumkin boʻlgan millisekundlik ishlash muddati tufayli anʼanaviy tarzda jozibador hisoblanadi. Biroq, bugungi kunda ajoyib spin-ansambl kvant xotirasi to'g'ridan-to'g'ri kengaytiriladigan QED sxemasi arxitekturasi bilan birlashtirilgan yarimo'tkazgichli tizimlar asosida yanada istiqbolli ishlanmalar kutilmoqda. Bu xotira QED sxemasining kogerentlik vaqtini uzaytiribgina qolmay, balki optik-telekom va chip mikroto‘lqinli fotonlarning o‘zaro konversiyasi uchun optik-mikroto‘lqinli interfeysni ham ta’minlay oladi.
Shunday qilib, olimlarning kvant internet sohasidagi kelajakdagi kashfiyotlari kvant ma'lumotlarini qayta ishlash uchun yarimo'tkazgich tugunlari bilan birgalikda uzoq masofali optik aloqaga asoslangan bo'lishi mumkin.
