Kvantu teleportācija ir viena no visvairāksvarīgi kvantu informācijas protokoli. Balstoties uz sapīšanās fiziskajiem resursiem, tas kalpo kā dažādu informācijas problēmu galvenais elements un ir svarīgs kvantu tehnoloģiju komponents, spēlējot galveno lomu kvantu skaitļošanas, tīklu un komunikācijas tālākā attīstībā.
Kopš tā ir pagājuši vairāk nekā divas desmitgadeskvantu teleportācijas atklājums, kas, iespējams, ir viena no interesantākajām un aizraujošākajām kvantu mehānikas "savādības" sekām. Pirms šo lielo atklājumu izdarīšanas šī ideja piederēja zinātniskās fantastikas jomai. Termins “teleportācija”, kuru 1931. gadā pirmo reizi izgudroja Čārlzs H. Forts, kopš tā laika tiek izmantots, lai apzīmētu procesu, kurā ķermeņi un priekšmeti tiek pārvietoti no vienas vietas uz otru, faktiski nenosedzot attālumu starp tiem.
1993. gadā tika publicēts raksts, kurā aprakstītskvantu informācijas protokols ar nosaukumu “kvantu teleportācija”, kam bija kopīgas vairākas iepriekš uzskaitītās funkcijas. Tajā tiek izmērīts nezināmais fiziskās sistēmas stāvoklis un pēc tam reproducēts vai “samontēts” attālā vietā (sākotnējās sistēmas fiziskie elementi paliek pārraides vietā). Šim procesam nepieciešami klasiski saziņas līdzekļi, un tas izslēdz īpaši vieglu saziņu. Tas prasa saistīšanās resursus. Faktiski teleportāciju var uzskatīt par kvantu informācijas protokolu, kas visskaidrāk parāda sapīšanās raksturu: bez viņa klātbūtnes šāds pārraides stāvoklis nebūtu iespējams, ievērojot likumus, kas apraksta kvantu mehāniku.
Teleportācijai ir aktīva loma attīstībāinformācijas zinātne. No vienas puses, tas ir konceptuāls protokols, kam ir izšķiroša loma informācijas formālās kvantu teorijas attīstībā, un, no otras puses, tas ir daudzu tehnoloģiju pamatkomponents. Kvantu atkārtotājs ir tālsatiksmes galvenais elements. Visi kvantu slēdžu teleportācija, uz mērījumiem balstīta skaitļošana un kvantu tīkli ir visi tā atvasinājumi. To izmanto arī kā vienkāršu instrumentu “ekstrēmas” fizikas izpētei, kas saistīta ar laika līknēm un melno caurumu iztvaikošanu.
Mūsdienās kvantu teleportācija tiek apstiprinātalaboratorijas visā pasaulē, kurās izmanto daudz dažādu substrātu un tehnoloģiju, tai skaitā fotoniskās kvestu, kodolmagnētiskās rezonanses, optiskos režīmus, atomu grupas, ieslodzītos atomus un pusvadītāju sistēmas. Teleportācijas diapazona jomā tika sasniegti izcili rezultāti, tuvojas eksperimenti ar satelītiem. Turklāt ir sākti mēģinājumi mērogot līdz sarežģītākām sistēmām.
Kvantu teleportācija vispirms tika aprakstītadivlīmeņu sistēmas, tā sauktās kvotas. Protokolā tiek apskatītas divas attālas puses, kuras sauc Alisa un Bobs, kurām ir 2 kvbites, A un B, tīri sapinušos stāvoklī, ko sauc arī par Zvana pāri. Ievadā Alisei tiek dota vēl viena kvadrāts a, kuras stāvoklis ρ nav zināms. Pēc tam viņa veic kopīgu kvantu mērīšanu, ko sauc par zvanu noteikšanu. Tas pārnes a un A uz vienu no Bellas četriem stāvokļiem. Rezultātā Alises ieejas kvadrāts stāvoklis mērīšanas laikā pazūd, un Boba kvadrāts B vienlaikus tiek projicēts uz P†uzρPuz. Protokola pēdējā posmā Alise nodod klasiskā mērījuma rezultātu Bobam, kurš izmanto Pauli operatoru Puz atjaunot sākotnējo ρ.
Tiek ņemts vērā Alises kvadrāta sākotnējais stāvoklisnav zināms, jo pretējā gadījumā protokols nonāk līdz tā attālinātai mērīšanai. Turklāt tā pati var būt daļa no lielākas saliktas sistēmas, kas tiek koplietota ar trešo personu (šajā gadījumā veiksmīgai teleportēšanai ir nepieciešams reproducēt visas korelācijas ar šo trešo pusi).
Tipisks kvantu teleportācijas eksperimentspieņem, ka sākotnējais stāvoklis ir tīrs un pieder ierobežotam alfabētam, piemēram, sešiem Bloha sfēras poliem. Dekoherences klātbūtnē rekonstruētā stāvokļa kvalitāti var noteikt ar teleportācijas precizitāti F ∈ [0, 1]. Tā ir precizitāte starp Alises un Boba stāvokļiem, aprēķinot vidējo vērtību visos Zvana noteikšanas rezultātos un oriģinālajā alfabētā. Ar zemām precizitātes vērtībām ir metodes, kas ļauj nepilnīgi teleportēties, neizmantojot sarežģītu resursu. Piemēram, Alise var tieši izmērīt savu sākotnējo stāvokli, nosūtot rezultātus Bobam, lai sagatavotu iegūto stāvokli. Šo mērīšanas un apmācības stratēģiju sauc par "klasisko teleportāciju". Tam ir maksimāla f precizitāteklase = 2/3 patvaļīgam ievades stāvoklim, kas ir ekvivalents savstarpēji objektīvu stāvokļu alfabētam, piemēram, sešiem Bloha sfēras poliem.
Tādējādi skaidra kvantu resursu izmantošanas pazīme ir precizitātes vērtība F> Fklase.
Kā apgalvo kvantu fizika, teleportācija navierobežots ar kvitiem, tas var ietvert daudzdimensionālas sistēmas. Katrai galīgajai dimensijai d var formulēt ideālu teleportācijas shēmu, izmantojot visvairāk sapinušos stāvokļa vektorus, kurus var iegūt no noteiktā maksimālā sapinušā stāvokļa un bāzes {Uuz} vienotie operatori, kas atbilst tr (U†f Iruz) = dδj, k... Šādu protokolu var konstruēt jebkurai ierobežotu dimensiju Hilberta telpai, t.s. diskrēti mainīgas sistēmas.
Turklāt kvantu teleportācija varattiecināt uz sistēmām ar bezgalīgu dimensiju Hilberta telpu, ko sauc par nepārtraukti mainīgām sistēmām. Parasti tos realizē optiskie bosoniskie režīmi, kuru elektrisko lauku var aprakstīt kvadratu operatori.
Kāds ir kvantu teleportācijas ātrums?Informācija tiek pārraidīta ar ātrumu, kas līdzīgs tāda paša daudzuma pārraides ātrumam kā klasiskais - iespējams, ar gaismas ātrumu. Teorētiski to var izmantot tā, kā to nevar klasiskais - piemēram, kvantu skaitļošanā, kur dati ir pieejami tikai saņēmējam.
Vai kvantu teleportācija pārkāpj principunenoteiktība? Agrāk zinātnieki teleportācijas ideju neuztvēra ļoti nopietni, jo tika uzskatīts, ka tā pārkāpj principu, ka neviens mērīšanas vai skenēšanas process nevar iegūt visu informāciju no atoma vai cita objekta. Saskaņā ar nenoteiktības principu, jo precīzāk objekts tiek skenēts, jo vairāk to ietekmē skenēšanas process, līdz tiek sasniegts punkts, kurā objekta sākotnējais stāvoklis tiek traucēts tik lielā mērā, ka vairs nebūs iespējams iegūt pietiekami daudz informācijas, lai izveidotu precīzu kopiju. Tas izklausās pārliecinoši: ja cilvēks nevar iegūt informāciju no objekta, lai izveidotu perfektu kopiju, tad pēdējo nevar izveidot.
Bet seši zinātnieki (Čārlzs Benets, Žils Brassards,Klods Krepo, Ričards Josa, Ašers Peress un Viljams Vouters) atrada ceļu ap šo loģiku, izmantojot slaveno un paradoksālo kvantu mehānikas iezīmi, kas pazīstama kā Einšteina-Podoļska-Rozena efekts. Viņi atrada veidu, kā skenēt daļu teleportētā objekta A informācijas un pārējo nepārbaudīto daļu ar iepriekšminētā efekta palīdzību pārnest uz citu objektu C, kurš nekad nav bijis saskarē ar A.
Turklāt, piemērojot ietekmi uz C,atkarībā no skenētās informācijas pirms skenēšanas jūs varat ievadīt C stāvoklī A. Pats A vairs nav šajā stāvoklī, jo skenēšanas process viņu ir pilnībā izmainījis, tāpēc tiek sasniegta teleportācija, nevis replikācija.
Ir skaidrs, ka ideāla kvantu sistēma vaitehnoloģijas vēl nepastāv, un lielie nākotnes atklājumi vēl tikai priekšā. Tomēr var mēģināt noteikt iespējamos kandidātus konkrētām teleportācijas lietojumprogrammām. Viņu atbilstošā hibridizācija, ja vien tām ir savietojama bāze un metodes, varētu nodrošināt kvantu teleportācijas un tās lietojumu daudzsološāko nākotni.
Maza attāluma teleportācija (līdz 1 m) kāKvantu skaitļošanas apakšsistēma ir daudzsološa pusvadītāju ierīcēm, no kurām labākā ir QED shēma. Īpaši supravadoši transmonu kubiti var garantēt deterministisku un ļoti precīzu teleportāciju mikroshēmā. Tie ļauj arī reāllaika tiešraidi, kas fotoniskajām mikroshēmām izskatās problemātiska. Turklāt tie nodrošina mērogojamāku arhitektūru un labāku esošo tehnoloģiju integrāciju salīdzinājumā ar iepriekšējām pieejām, piemēram, iesprostotajiem joniem. Pašlaik šķiet, ka vienīgais šo sistēmu trūkums ir to ierobežotais koherences laiks (<100 μs). Šo problēmu var atrisināt, integrējot QED ķēdi ar pusvadītāju spin-ansambļa atmiņas šūnām (ar vakuumiem, kas aizvietoti ar slāpekli, vai ar piedevām ar retzemju kristāliem), kas var nodrošināt ilgus koherences laikus kvantu datu glabāšanai. Pašlaik šī ieviešana ir zinātnisko aprindu lielu pūļu priekšmets.
Teleportācijas saite visā pilsētā(vairākus kilometrus) varētu izstrādāt, izmantojot optiskos režīmus. Pie pietiekami maziem zaudējumiem šīs sistēmas nodrošina lielu ātrumu un joslas platumu. Tos var paplašināt no darbvirsmas ieviešanas līdz vidēja līmeņa sistēmām, izmantojot gaisu vai šķiedru, ar iespējamu integrāciju ar ansambļa kvantu atmiņu. Lielākus attālumus, bet ar mazāku ātrumu var sasniegt, izmantojot hibrīdo pieeju vai izstrādājot labus retranslatorus, kuru pamatā ir procesi, kas nav Gausa procesi.
Tālsatiksmes kvantu teleportācija (virs 100km) ir aktīva teritorija, bet joprojām cieš no atklātas problēmas. Polarizācijas kubi ir labākie pārvadātāji zema ātruma teleportācijai pa garām šķiedru līnijām un pa gaisu, taču protokols pašlaik ir varbūtīgs, jo Bell ir nepilnīgi atklājis.
Kaut arī varbūtības teleportācija un sapīšanāsir pieņemami tādiem uzdevumiem kā sapīšanās destilācija un kvantu kriptogrāfija, taču tas nepārprotami atšķiras no saziņas, kurā ievades informācija ir pilnībā jāsaglabā.
Ja mēs pieņemam šo varbūtības raksturu, tadsatelītu ieviešana ir mūsdienu tehnoloģiju sasniedzamības zonā. Papildus izsekošanas metožu integrēšanai liela problēma ir tālās gaismas izplatīšanās zudums. To var pārvarēt konfigurācijā, kur sapīšanās tiek izplatīta no satelīta uz lieliem apertūras zemes teleskopiem. Pieņemot 20 cm satelīta apertūru 600 km augstumā un 1 m teleskopa atvērumu uz zemes, mēs sagaidām aptuveni 75 dB lejupsaites zudumu, kas ir mazāks par 80 dB zemes līmeņa zudumu. Zemes-satelīta vai satelīta-satelīta ieviešana ir sarežģītāka.
Par teleportācijas turpmāko izmantošanumērogojamā tīkla daļa ir tieši atkarīga no tā integrācijas ar kvantu atmiņu. Pēdējam jābūt izcilam attiecībā uz konversijas efektivitāti, starojuma un materiāla saskarni, rakstīšanas un lasīšanas precizitāti, uzglabāšanas laiku un joslas platumu, lielu ātrumu un atmiņas ietilpību. Pirmkārt, tas ļaus izmantot retranslatorus, lai paplašinātu sakarus tālu ārpus tiešās pārraides, izmantojot kļūdu labošanas kodus. Labas kvantu atmiņas attīstība ļautu ne tikai izplatīt sapīšanos tīklā un teleportācijas komunikāciju, bet arī saskaņoti apstrādāt saglabāto informāciju. Galu galā tas varētu pārvērst tīklu par globāli izplatītu kvantu datoru vai nākotnes kvantu interneta pamatu.
Tradicionāli tiek uzskatīti atomu ansambļipievilcīgs, pateicoties to efektīvai gaismas un vielas pārveidošanai un to milisekunžu glabāšanas laikam, kas var būt pat 100 ms, kas nepieciešams gaismas pārraidīšanai visā pasaulē. Tomēr šodien ir gaidāmi daudzsološāki notikumi, pamatojoties uz pusvadītāju sistēmām, kur izcila spin-ansambļa kvantu atmiņa ir tieši integrēta QED ķēdes mērogojamā arhitektūrā. Šī atmiņa var ne tikai pagarināt QED ķēdes koherences laiku, bet arī nodrošināt optisko-mikroviļņu saskarni optisko-telekomunikāciju un mikroshēmu mikroviļņu fotonu savstarpējai pārveidošanai.
Tādējādi zinātnieku turpmākie atklājumi kvantu interneta jomā, visticamāk, balstīsies uz liela attāluma optisko sakaru savienojumu ar pusvadītāju mezgliem kvantu informācijas apstrādei.
