La téléportation quantique est l'une des plusprotocoles importants en information quantique. Basé sur la ressource physique de l'intrication, il sert d'élément principal de divers problèmes d'information et est une composante importante des technologies quantiques, jouant un rôle clé dans le développement ultérieur de l'informatique quantique, des réseaux et de la communication.
Plus de deux décennies se sont écoulées depuisla découverte de la téléportation quantique, qui est sans doute l'une des conséquences les plus intéressantes et excitantes de la «bizarrerie» de la mécanique quantique. Avant que ces grandes découvertes ne soient faites, l'idée relevait de la science-fiction. Inventé pour la première fois en 1931 par Charles H. Fort, le terme «téléportation» a depuis été utilisé pour désigner le processus par lequel les corps et les objets sont transférés d'un endroit à un autre sans franchir réellement la distance qui les sépare.
En 1993, un article a été publié décrivantun protocole d'information quantique appelé "téléportation quantique", qui partageait plusieurs des caractéristiques ci-dessus. Dans celui-ci, l'état inconnu du système physique est mesuré et ensuite reproduit ou «réassemblé» à un endroit éloigné (les éléments physiques du système d'origine restent sur le site de transmission). Ce processus nécessite des moyens de communication classiques et exclut la communication FTL. Cela nécessite une ressource d'enchevêtrement. En fait, la téléportation peut être considérée comme un protocole d'information quantique qui démontre le plus clairement la nature de l'intrication: sans sa présence, un tel état de transmission ne serait pas possible dans le cadre des lois qui décrivent la mécanique quantique.
La téléportation joue un rôle actif dans le développementscience de l'information. D'une part, c'est un protocole conceptuel qui joue un rôle décisif dans le développement de la théorie formelle de l'information quantique, et d'autre part, c'est une composante fondamentale de nombreuses technologies. Le répéteur quantique est un élément clé de la communication longue distance. La téléportation des commutateurs quantiques, le calcul basé sur la mesure et les réseaux quantiques en sont tous dérivés. Il est également utilisé comme un outil simple pour apprendre la physique "extrême" autour des courbes temporelles et de l'évaporation des trous noirs.
La téléportation quantique confirmée aujourd'hui enlaboratoires du monde entier utilisant une variété de substrats et de technologies différents, y compris les qubits photoniques, la résonance magnétique nucléaire, les modes optiques, les groupes d'atomes, les atomes piégés et les systèmes semi-conducteurs. Des résultats remarquables ont été obtenus dans le domaine de la portée de téléportation, des expériences avec des satellites sont à venir. En outre, des tentatives ont commencé à évoluer vers des systèmes plus complexes.
Квантовая телепортация была впервые описана для systèmes à deux niveaux, appelés qubits. Le protocole considère deux parties distantes, appelées Alice et Bob, qui sont séparées par 2 qubits, A et B, dans un état intriqué pur, également appelé paire Bell. A l'entrée, Alice reçoit un qubit a de plus, dont l'état ρ est inconnu. Elle effectue ensuite une mesure quantique collaborative appelée découverte de Bell. Il transfère a et A à l'un des quatre états de Bell. En conséquence, l'état du qubit d'entrée d'Alice disparaît pendant la mesure et le qubit B de Bob est projeté simultanément sur P†àρPà... À la dernière étape du protocole, Alice transmet le résultat classique de sa mesure à Bob, qui applique l'opérateur Pauli Pà pour restaurer l'original ρ.
L'état initial du qubit d'Alice est considéréinconnu, car sinon le protocole est réduit à sa mesure à distance. De plus, il peut lui-même faire partie d'un système composite plus large partagé avec un tiers (dans ce cas, une téléportation réussie nécessite de reproduire toutes les corrélations avec ce tiers).
Типичный эксперимент по квантовой телепортации prend l'état initial pur et appartenant à un alphabet limité, par exemple les six pôles de la sphère de Bloch. En présence de décohérence, la qualité de l'état reconstruit peut être exprimée quantitativement par la précision de téléportation F ∈ [0, 1]. Il s'agit de la précision entre les états d'Alice et de Bob, moyennée sur tous les résultats de détection de Bell et sur l'alphabet d'origine. À des valeurs de précision faibles, il existe des méthodes qui permettent une téléportation imparfaite sans utiliser une ressource complexe. Par exemple, Alice peut mesurer directement son état initial en envoyant les résultats à Bob pour préparer l'état résultant. Cette stratégie d'entraînement à la mesure est appelée «téléportation classique». Il a une précision maximale Fclasse = 2/3 pour un état d'entrée arbitraire, ce qui équivaut à l'alphabet des états mutuellement non biaisés, tels que les six pôles de la sphère de Bloch.
Ainsi, un signe clair de l'utilisation des ressources quantiques est la valeur de la précision F> Fclasse.
Comme le dit la physique quantique, la téléportation n'est paslimité aux qubits, il peut inclure des systèmes multidimensionnels. Pour chaque dimension finie d, un schéma de téléportation idéal peut être formulé en utilisant la base des vecteurs d'états les plus intriqués, qui peuvent être obtenus à partir d'un état intriqué maximal donné et de la base {Uà} opérateurs unitaires satisfaisant tr (U†bien Àà) = dδj, k... Un tel protocole peut être construit pour tout espace de Hilbert de dimension finie, le soi-disant. systèmes à variables discrètes.
De plus, la téléportation quantique peuts'étendent aux systèmes avec un espace de Hilbert de dimension infinie, appelés systèmes à variation continue. En règle générale, ils sont réalisés par des modes optiques bosoniques, dont le champ électrique peut être décrit par des opérateurs en quadrature.
Quelle est la vitesse de la téléportation quantique?Les informations sont transmises à une vitesse similaire à la vitesse de transmission de la même quantité que la vitesse classique - peut-être à la vitesse de la lumière. En théorie, il peut être utilisé d'une manière que la méthode classique ne peut pas - par exemple, en informatique quantique, où les données ne sont disponibles que pour le destinataire.
La téléportation quantique viole-t-elle le principeincertitude? Dans le passé, l'idée de téléportation n'était pas prise très au sérieux par les scientifiques car elle était considérée comme violant le principe selon lequel aucun processus de mesure ou de balayage ne pouvait extraire toutes les informations d'un atome ou d'un autre objet. Conformément au principe d'incertitude, plus un objet est scanné avec précision, plus il est influencé par le processus de numérisation jusqu'à ce qu'un point soit atteint où l'état d'origine de l'objet est perturbé à un point tel qu'il ne sera plus possible d'obtenir suffisamment d'informations pour créer une copie exacte. Cela semble convaincant: si une personne ne peut pas extraire des informations d'un objet pour créer une copie parfaite, alors la dernière ne peut pas être faite.
Mais six scientifiques (Charles Bennett, Gilles Brassard,Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez et William Wouters) ont trouvé un moyen de contourner cette logique en utilisant une caractéristique célèbre et paradoxale de la mécanique quantique connue sous le nom d'effet Einstein-Podolsky-Rosen. Ils ont trouvé un moyen de scanner certaines des informations de l'objet téléporté A, et de transférer le reste de la partie non vérifiée au moyen de l'effet ci-dessus vers un autre objet C, qui n'avait jamais été en contact avec A.
De plus, en appliquant l'influence à C,en fonction des informations numérisées, vous pouvez entrer C dans l'état A avant de numériser. A lui-même n'est plus dans cet état, car il a été complètement changé par le processus de numérisation, donc ce qui est obtenu est la téléportation, pas la réplication.
Il est clair qu'un système quantique idéal oula technologie n'existe pas encore et les grandes découvertes de l'avenir sont encore à venir. Néanmoins, on peut essayer d'identifier d'éventuels candidats pour des applications spécifiques de téléportation. Leur hybridation appropriée, à condition d'avoir une base et des méthodes compatibles, pourrait offrir l'avenir le plus prometteur pour la téléportation quantique et ses applications.
Téléportation sur de courtes distances (jusqu'à 1 m) commele sous-système de calcul quantique est prometteur pour les dispositifs à semi-conducteurs, dont le meilleur est le circuit QED. En particulier, les qubits transmon supraconducteurs peuvent garantir une téléportation déterministe et très précise sur une puce. Ils permettent également une alimentation en direct en temps réel, ce qui semble problématique sur les puces photoniques. De plus, ils offrent une architecture plus évolutive et une meilleure intégration des technologies existantes par rapport aux approches précédentes telles que les ions piégés. Actuellement, le seul inconvénient de ces systèmes semble être leur temps de cohérence limité (<100 µs). Ce problème peut être résolu en intégrant un circuit QED avec des cellules de mémoire semi-conductrices à ensemble de spin (avec des lacunes substituées à l'azote ou dopées avec des cristaux de terres rares), qui peuvent fournir de longs temps de cohérence pour le stockage de données quantiques. Actuellement, cette mise en œuvre fait l'objet de grands efforts de la communauté scientifique.
Communication de téléportation à l'échelle de la ville(plusieurs kilomètres) pourraient être développés en utilisant des modes optiques. Avec des pertes suffisamment faibles, ces systèmes fournissent des vitesses et une bande passante élevées. Ils peuvent être étendus des implémentations de bureau aux systèmes de milieu de gamme par voie aérienne ou par fibre, avec une intégration possible avec la mémoire quantique d'ensemble. Des distances plus longues, mais à des vitesses inférieures, peuvent être atteintes en utilisant une approche hybride ou en développant de bons répéteurs basés sur des processus non gaussiens.
Téléportation quantique longue distance (plus de 100km) est une zone active mais souffre toujours d'un problème ouvert. Les qubits de polarisation sont les meilleurs transporteurs pour la téléportation à basse vitesse sur de longues lignes de fibre et sur les airs, mais le protocole est actuellement probabiliste en raison de la détection incomplète de Bell.
Alors que la téléportation et les enchevêtrements probabilistesacceptable pour des tâches telles que la distillation par enchevêtrement et la cryptographie quantique, mais ceci est clairement différent de la communication, dans laquelle les informations d'entrée doivent être complètement préservées.
Si nous acceptons ce caractère probabiliste, alorsles implémentations satellites sont à la portée de la technologie moderne. En plus d'intégrer des méthodes de suivi, la perte d'étalement des feux de route est un problème majeur. Ceci peut être surmonté dans une configuration où l'intrication est distribuée du satellite aux télescopes au sol à grande ouverture. En supposant une ouverture de satellite de 20 cm à 600 km d'altitude et une ouverture de télescope de 1 m au sol, nous nous attendrions à environ 75 dB de perte en liaison descendante, soit moins de 80 dB de perte au niveau du sol. Les implémentations sol-satellite ou satellite-satellite sont plus complexes.
L'utilisation future de la téléportation commeune partie d'un réseau évolutif dépend directement de son intégration avec la mémoire quantique. Ce dernier doit avoir une excellente interface rayonnement-matière en termes d'efficacité de conversion, de précision d'écriture et de lecture, de temps de stockage et de bande passante, de vitesse élevée et de capacité de stockage. Tout d'abord, cela permettra l'utilisation de répéteurs pour étendre la communication bien au-delà de la transmission directe en utilisant des codes de correction d'erreur. Le développement d'une bonne mémoire quantique permettrait non seulement de distribuer l'intrication sur le réseau et la communication de téléportation, mais aussi de traiter de manière cohérente les informations stockées. En fin de compte, cela pourrait transformer le réseau en un ordinateur quantique distribué à l'échelle mondiale ou en la base du futur Internet quantique.
Les ensembles atomiques ont traditionnellement été considérésattractif en raison de leur conversion lumière-matière efficace et de leurs temps de stockage en millisecondes, pouvant atteindre 100 ms, nécessaires pour transmettre la lumière à l'échelle mondiale. Néanmoins, des développements plus prometteurs sont aujourd'hui attendus sur la base des systèmes à semi-conducteurs, où une excellente mémoire quantique à ensemble de spin est directement intégrée à l'architecture de circuit QED évolutive. Cette mémoire peut non seulement prolonger le temps de cohérence du circuit QED, mais également fournir une interface optique-hyperfréquence pour l'interconversion des photons hyperfréquence de télécommunication optique et de puce.
Ainsi, les futures découvertes de scientifiques dans le domaine de l'Internet quantique seront probablement basées sur une communication optique à longue portée, couplée à des nœuds semi-conducteurs pour le traitement de l'information quantique.
