Viễn thông lượng tử: những khám phá tuyệt vời của các nhà vật lí

Truyền dữ liệu lượng tử là một trong những giao thức quan trọng nhất trong thông tin lượng tử. Dựa vào nguồn lực vật chất của sự vướng víu, nó đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động thông tin khác nhau và là một phần quan trọng của công nghệ lượng tử, đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển hơn nữa của máy tính lượng tử, mạng và truyền thông.

Từ khoa học viễn tưởng đến khám phá của các nhà khoa học

Đã hơn hai thập niên kể từ khi phát hiện ra dịch chuyển lượng tử, có lẽ là một trong những hậu quả thú vị và thú vị nhất của "sự kỳ lạ" của cơ học lượng tử. Trước những khám phá tuyệt vời này, ý tưởng này thuộc về lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Được Charles H. Fort phát minh ra vào năm 1931, từ "teleportation" đã được sử dụng để chỉ quá trình chuyển các vật thể và vật thể từ nơi này sang nơi khác, trên thực tế không vượt qua được khoảng cách giữa chúng.

Năm 1993, một bài báo đã được xuất bản mô tả các giao thức của thông tin lượng tử, được gọi là "teleportation lượng tử," mà chia sẻ một số đặc điểm trên. Trong đó, trạng thái không xác định của hệ thống vật lý được đo và sao chép lại hoặc "lắp ráp lại" ở một vị trí từ xa (các yếu tố vật lý của hệ thống gốc vẫn ở nơi truyền). Quá trình này đòi hỏi các phương tiện truyền thông cổ điển và không bao gồm truyền thông siêu liệt. Nó đòi hỏi một nguồn lực vướng víu. Trên thực tế, dịch chuyển có thể được xem như là một giao thức thông tin lượng tử, thể hiện rõ ràng nhất bản chất của sự vướng víu: nếu không có sự hiện diện của nó, một trạng thái truyền như vậy sẽ không thể xảy ra trong các luật mô tả cơ học lượng tử.

Viễn thông đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của khoa học thông tin. Một mặt, đây là một giao thức khái niệm có vai trò quyết định trong việc phát triển lý thuyết thông tin lượng tử chính thức , và mặt khác nó là một thành phần cơ bản của nhiều công nghệ. Một bộ lặp lượng tử là một phần quan trọng của truyền thông qua các khoảng cách dài. Truyền các công tắc lượng tử, tính toán dựa trên phép đo và mạng lượng tử - tất cả đều là dẫn xuất của nó. Nó cũng được sử dụng như một công cụ đơn giản để nghiên cứu vật lý "cực trị", liên quan đến các đường cong thời gian và sự bốc hơi của các hố đen.

Ngày nay, teleport hóa lượng tử đã được khẳng định trong các phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng nhiều chất nền và công nghệ khác nhau, bao gồm các quầng photonic, cộng hưởng từ hạt nhân, các chế độ quang học, các nhóm nguyên tử, các nguyên tử bị mắc kẹt và các hệ thống bán dẫn. Những kết quả nổi bật đã đạt được trong lĩnh vực phạm vi dịch chuyển, các thí nghiệm với vệ tinh sắp ra mắt. Ngoài ra, những nỗ lực đã bắt đầu được mở rộng cho các hệ thống phức tạp hơn.

Truyền dữ liệu qubit

Truyền dữ liệu lượng tử lần đầu tiên được mô tả cho các hệ thống hai cấp, cái gọi là qubit. Giao thức xử lý hai bên từ xa, được gọi là Alice và Bob, những người chia sẻ 2 qubit, A và B, trong trạng thái xáo trộn tinh khiết, còn được gọi là cặp Bell. Ở lối vào của Alice, một qubit khác được đưa ra, với trạng thái ρ là không rõ. Sau đó, nó thực hiện một phép đo lượng tử chung được gọi là phát hiện Bell. Nó mang a và A vào một trong bốn trạng thái của Bell. Kết quả là, trạng thái của qubit đầu vào của Alice biến mất trong quá trình đo, và qubit của Bob đồng thời được chiếu lên P ^† _k ρP _k . Ở giai đoạn cuối của giao thức, Alice vượt qua kết quả cổ điển của phép đo của mình cho Bob, người áp dụng toán tử Pauli P _k để khôi phục lại bản gốc ρ.

Trạng thái ban đầu của qubit Alice được coi là không rõ, vì nếu không thì giao thức được giảm xuống mức đo từ xa. Ngoài ra, bản thân nó có thể là một phần của một hệ thống phức hợp lớn hơn được chia sẻ với bên thứ ba (trong trường hợp này, việc dịch chuyển thành công đòi hỏi phải sao chép tất cả các mối tương quan với bên thứ ba này).

Một thí nghiệm điển hình về dịch chuyển lượng tử giả định trạng thái ban đầu là tinh khiết và thuộc một bảng chữ cái giới hạn, ví dụ như sáu cực của quả cầu Bloch. Trong sự có mặt của sự không liên kết, chất lượng của trạng thái tái tạo có thể được định lượng thể hiện bằng độ chính xác teleportation F ∈ [0, 1]. Đây là tính chính xác giữa các trạng thái của Alice và Bob, trung bình qua tất cả các kết quả phát hiện của Bell và bảng chữ cái ban đầu. Đối với các giá trị chính xác nhỏ, có những phương pháp cho phép bạn thực hiện dịch chuyển không hoàn hảo mà không sử dụng một tài nguyên phức tạp. Ví dụ, Alice có thể trực tiếp đánh giá trạng thái ban đầu bằng cách gửi kết quả cho Bob để chuẩn bị trạng thái kết quả. Chiến lược chuẩn bị đo lường này được gọi là "sự dịch chuyển cổ điển". Nó có độ chính xác tối đa F _class = 2/3 cho trạng thái đầu vào tùy ý, tương đương với bảng chữ cái các trạng thái không thiên vị, chẳng hạn như sáu cực của quả cầu Bloch.

Như vậy, một dấu hiệu rõ ràng về việc sử dụng các nguồn lượng tử là giá trị chính xác của _lớp F> F.

Không phải là một qubit của một đơn

Theo vật lý lượng tử, dịch chuyển không giới hạn ở qubit, nó có thể bao gồm các hệ thống đa chiều. Đối với mỗi phép đo hữu hạn d, chúng ta có thể xây dựng một lược đồ dịch lý tưởng sử dụng cơ sở của các vectơ trạng thái rối nhất có thể thu được từ trạng thái lẫn lộn tối đa và cơ sở của các toán tử đơn nhất thỏa mãn tr (U ⁾ _j U _k ) = dδ _{j, k} . Một giao thức như vậy có thể được xây dựng cho bất kỳ không gian Hilbert chiều nào của cái gọi là. Hệ thống biến đổi rời rạc.

Ngoài ra, dịch chuyển lượng tử cũng có thể mở rộng tới các hệ thống với không gian Hilbert chiều rộng vô hạn, được gọi là các hệ thống liên tục biến đổi. Theo nguyên tắc, chúng được thực hiện bằng các chế độ bosonic quang, có trường điện có thể được mô tả bởi các toán tử cầu phương.

Tốc độ và nguyên tắc không chắc chắn

Tốc độ dịch chuyển lượng tử là gì? Thông tin được truyền đi ở tốc độ tương đương với tốc độ truyền tải của cùng một lượng cổ điển - có lẽ ở tốc độ ánh sáng. Về mặt lý thuyết, nó có thể được sử dụng theo cách mà cổ điển không thể - ví dụ như trong điện toán lượng tử, nơi dữ liệu chỉ có sẵn cho người nhận.

Liệu sự dịch chuyển lượng tử vi phạm nguyên tắc không chắc chắn? Trước đây, các nhà khoa học đã không quan tâm đến ý tưởng dịch chuyển qua truyền hình, bởi vì người ta tin rằng nó vi phạm nguyên tắc cấm bất kỳ quá trình đo hoặc quét nào thu thập tất cả thông tin từ một nguyên tử hay vật gì khác. Theo nguyên lý không chắc chắn, chính xác hơn đối tượng được quét, nó càng bị ảnh hưởng bởi quá trình quét, cho đến khi một điểm đạt được khi trạng thái ban đầu của đối tượng bị phá vỡ đến mức nó sẽ không còn có thể có được đủ thông tin để tạo ra một bản sao chính xác. Điều này nghe có vẻ thuyết phục: nếu một người không thể trích xuất thông tin từ đối tượng để tạo ra một bản sao lý tưởng, sau đó không thể được thực hiện sau này.

Truyền dữ liệu lượng tử cho núm vú

Nhưng sáu nhà khoa học (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crapo, Richard Josa, Asher Perez và William Wuthers) đã tìm ra cách giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng tính năng nổi tiếng và nghịch lý của cơ học lượng tử, gọi là hiệu ứng Einstein-Podolsky-Rosen. Họ tìm ra một cách để quét một số thông tin của các đối tượng teleport A, và phần còn lại của phần unverified bằng các hiệu ứng trên để chuyển đến một đối tượng C, tiếp xúc với A không bao giờ ở lại.

Trong tương lai, bằng cách áp dụng tác động đến C tùy thuộc vào thông tin được quét, bạn có thể nhập C vào trạng thái A trước khi quét. Một chính nó không còn ở trạng thái đó, vì nó hoàn toàn thay đổi bởi quá trình quét, do đó, kết quả là dịch chuyển, không sao chép.

Đấu tranh cho phạm vi

• Viễn thông lượng tử đầu tiên được tiến hành vào năm 1997 gần như đồng thời bởi các nhà khoa học thuộc Đại học Innsbruck và Đại học Rome. Trong thí nghiệm, photon ban đầu có phân cực và một trong những photon bị vướng mắc đã thay đổi theo cách mà photon thứ hai nhận được sự phân cực của photon ban đầu. Đồng thời, cả hai photon ở khoảng cách xa nhau.
• Vào năm 2012, một viễn thông lượng tử khác (Trung Quốc, Đại học Khoa học và Công nghệ) đã diễn ra thông qua một hồ nước ở độ cao cao với khoảng cách 97 km. Một nhóm các nhà khoa học từ Thượng Hải, do Juan Yin lãnh đạo, đã phát triển một cơ chế gợi ý cho phép nhắm mục tiêu chính xác chùm.
• Vào tháng 9 cùng năm, một teleport lượng tử lượng kỷ lục là 143 km. Các nhà khoa học Áo từ Học viện Khoa học Áo và Đại học Vienna, dưới sự lãnh đạo của Anton Zeilinger, đã vượt qua thành công lượng tử giữa hai quần đảo Canary của La Palma và Tenerife. Cuộc thí nghiệm này sử dụng hai đường truyền thông quang học trong không gian mở, một cặp photon lượng tử và cổ điển, các photon nguồn, các thiết bị phát hiện photon đơn cực nhỏ và đồng bộ đồng hồ đồng bộ tần số-không tương quan.
• Vào năm 2015, các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ lần đầu tiên truyền thông tin trên một khoảng cách hơn 100 km bởi chất xơ. Điều này trở thành có thể nhờ vào các máy dò photon đơn được tạo ra tại Viện, bằng cách sử dụng các dây nano siêu dẫn của silicbut molypden.

Rõ ràng là một hệ thống lượng tử lý tưởng hay công nghệ vẫn chưa tồn tại và những khám phá vĩ đại của tương lai đang ở phía trước. Tuy nhiên, người ta có thể cố gắng để xác định các ứng cử viên có thể trong các ứng dụng dịch vụ teleportation cụ thể. Một sự lai ghép phù hợp, cung cấp một cơ sở tương thích và các phương pháp có thể cung cấp tương lai hứa hẹn nhất cho dịch chuyển lượng tử và các ứng dụng của nó.

Khoảng cách ngắn

Teleportation cho khoảng cách ngắn (lên đến 1 m) như là một hệ thống con của máy tính lượng tử hứa hẹn về các thiết bị bán dẫn, trong đó tốt nhất là chương trình QED. Cụ thể, qubit siêu dẫn có tính siêu dẫn có thể đảm bảo sự dịch chuyển xác định và độ chính xác cao trên một con chip. Chúng cũng cho phép thức ăn trực tiếp trong thời gian thực, trông có vấn đề trên các chip quang tử. Thêm vào đó, chúng cung cấp một kiến trúc có thể mở rộng hơn và tích hợp tốt hơn các công nghệ hiện có so với các phương pháp tiếp cận trước đây, như các ion bắt. Hiện tại, hạn chế duy nhất của các hệ thống này dường như là thời gian kết nối giới hạn của chúng (<100 μs). Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách tích hợp sơ đồ QED với các tế bào bộ nhớ spin-bán dẫn bán dẫn (với các vị trí bị thay thế bằng nitơ hoặc tinh thể pha tạp đất hiếm), có thể cung cấp thời gian kết hợp dài cho lưu trữ lượng tử. Hiện nay, việc thực hiện này là chủ đề của nhiều nỗ lực của cộng đồng khoa học.

Truyền thông thành phố

Teleport truyền thông trong quy mô thành phố (vài cây số) có thể được phát triển bằng cách sử dụng chế độ quang học. Với tổn thất đủ thấp, các hệ thống này cung cấp tốc độ cao và băng thông. Chúng có thể được mở rộng từ triển khai máy tính để bàn đến các hệ thống tầm trung hoạt động qua ete hoặc sợi quang, có khả năng tích hợp với bộ nhớ lượng tử. Khoảng cách dài hơn, nhưng ở tốc độ thấp, có thể đạt được bằng cách sử dụng một phương pháp tiếp cận lai hoặc bằng cách phát triển các bộ lặp tốt dựa trên các quy trình không Gauss.

Truyền thông đường dài

Viễn thông lượng tử đường dài (hơn 100 km) là một khu vực hoạt động, nhưng vẫn bị một vấn đề mở. Các khối phân cực là các tàu sân bay tốt nhất cho dịch chuyển tốc độ thấp qua các đường dây truyền thông sợi quang dài và qua không trung, nhưng tại thời điểm đó, giao thức xác suất do sự phát hiện không đầy đủ của Bell.

Mặc dù khả năng dịch chuyển và sự vướng mắc có thể chấp nhận được đối với các nhiệm vụ như chưng cất sự vướng víu và mật mã lượng tử, điều này rõ ràng khác với truyền thông, trong đó cần phải lưu giữ đầy đủ thông tin đầu vào.

Nếu chúng ta mang tính xác suất này, các hiện thực vệ tinh nằm trong tầm tay của các công nghệ hiện đại. Ngoài việc tích hợp các phương pháp theo dõi, vấn đề chính là tổn thất cao do sự lan truyền của chùm tia. Điều này có thể được khắc phục trong một cấu hình mà sự vướng víu được phân phối từ vệ tinh tới kính thiên văn mặt đất với một khẩu độ lớn. Giả sử khẩu độ vệ tinh là 20 cm ở độ cao 600 km và kính thiên văn 1 trên mặt đất, người ta có thể mong đợi khoảng 75 dB của tổn thất trong kênh đường xuống, ít hơn 80 dB tổn thất ở mức mặt đất. Việc thực hiện "vệ tinh mặt đất" hoặc "vệ tinh" là phức tạp hơn.

Bộ nhớ lượng tử

Việc sử dụng teleportation trong tương lai như là một phần không tách rời của một mạng có thể mở rộng trực tiếp phụ thuộc vào việc tích hợp với bộ nhớ lượng tử. Loại thứ hai nên có một giao diện chất lượng bức xạ tuyệt vời, về hiệu quả chuyển đổi, ghi âm và đọc chính xác, thời gian lưu trữ và băng thông, tốc độ cao và dung lượng lưu trữ. Trước hết, điều này sẽ cho phép sử dụng bộ lặp để mở rộng truyền thông vượt xa việc truyền trực tiếp sử dụng mã sửa lỗi. Sự phát triển của bộ nhớ lượng tử tốt sẽ không chỉ cho phép phân tán sự lộn xộn của mạng lưới và thông tin dịch vụ mà còn để xử lý các thông tin được lưu trữ một cách mạch lạc. Cuối cùng, điều này có thể biến một mạng thành một máy tính lượng tử được phân phối quốc tế hoặc cơ sở cho một Internet lượng tử trong tương lai.

Phối cảnh phát triển

Các tổ hợp nguyên tử thường được coi là hấp dẫn do sự chuyển đổi có hiệu quả các "ánh sáng vật chất" và thời gian lưu trữ mili giây của chúng, có thể đạt tới 100 ms, cần thiết cho việc truyền ánh sáng trên phạm vi toàn cầu. Tuy nhiên, sự phát triển hứa hẹn ngày nay được mong đợi ngày hôm nay trên cơ sở các hệ thống bán dẫn, nơi bộ nhớ lượng tử spin-toàn bộ tuyệt vời được tích hợp trực tiếp với kiến trúc có thể mở rộng của chương trình QED. Bộ nhớ này không chỉ có thể kéo dài thời gian kết nối của mạch QED, mà còn cung cấp một giao diện vi sóng quang học cho sự chuyển đổi giữa các photon vi sóng viễn thông và vi sóng.

Do đó, các khám phá tương lai của các nhà khoa học trong lĩnh vực Internet lượng tử dường như dựa trên kết nối quang học tầm xa, cùng với các nút bán dẫn để xử lý thông tin lượng tử.