Քվանտային հեռահաղորդումը քվանտային տեղեկատվության ամենակարեւոր արձանագրություններից մեկն է: Խճճվածության ֆիզիկական ռեսուրսի հիման վրա այն ծառայում է որպես տարբեր տեղեկատվական առաջադրանքների հիմնական տարր և հանդիսանում է քվանտային տեխնոլոգիաների կարևոր բաղադրիչ՝ առանցքային դեր խաղալով քվանտային հաշվարկների, ցանցերի և հաղորդակցության հետագա զարգացման մեջ։
Գիտական ֆանտաստիկայից մինչև գիտնականների բացահայտում
Ավելի քան երկու տասնամյակ է անցել քվանտային տելեպորտացիայի բացահայտումից, որը, թերեւս, քվանտային մեխանիկայի «տարօրինակության» ամենահետաքրքիր և հուզիչ հետևանքներից մեկն է: Մինչ այս մեծ հայտնագործությունների իրականացումը, այս գաղափարը պատկանում էր գիտաֆանտաստիկայի ոլորտին: Առաջին անգամ ստեղծվել է 1931 թվականին Չարլզ Հ. Ֆորտի կողմից, այն ժամանակից ի վեր «հեռահաղորդում» տերմինն օգտագործվել է նկատի ունենալով այն գործընթացը, որով մարմինները և առարկաները տեղափոխվում են մի վայրից մյուսը՝ առանց իրականում անցնելու նրանց միջև հեռավորությունը:
:
1993 թվականին հրապարակվեց մի հոդված, որը նկարագրում էր քվանտային տեղեկատվության արձանագրությունը, որը կոչվում էր.«քվանտային տելեպորտացիա», որը կիսում էր վերը թվարկված մի քանի հատկանիշներ: Դրանում ֆիզիկական համակարգի անհայտ վիճակը չափվում է և հետագայում վերարտադրվում կամ «վերահավաքվում» հեռավոր վայրում (սկզբնական համակարգի ֆիզիկական տարրերը մնում են փոխանցման վայրում): Այս գործընթացը պահանջում է կապի դասական միջոցներ և բացառում է FTL հաղորդակցությունը: Այն խճճվածության ռեսուրսի կարիք ունի: Իրականում, տելեպորտացիան կարող է դիտվել որպես քվանտային տեղեկատվական արձանագրություն, որն առավել հստակ ցույց է տալիս խճճվածության բնույթը. առանց դրա, փոխանցման նման վիճակը հնարավոր չէր լինի քվանտային մեխանիկա նկարագրող օրենքների շրջանակներում:
Հեռահաղորդումը ակտիվ դեր է խաղում տեղեկատվական գիտության զարգացման գործում։ Այն մի կողմից հայեցակարգային արձանագրություն է, որը որոշիչ դեր է խաղում ֆորմալ քվանտային տեղեկատվության տեսության զարգացման գործում, իսկ մյուս կողմից՝ շատ տեխնոլոգիաների հիմնարար բաղադրիչ։ Քվանտային կրկնիչը երկար հեռավորությունների վրա հաղորդակցության հիմնական տարրն է: Քվանտային անջատիչ հեռահաղորդումը, չափումների վրա հիմնված հաշվողականությունը և քվանտային ցանցերը դրա ածանցյալներն են: Այն նաև օգտագործվում է որպես պարզ գործիք՝ ուսումնասիրելու «ծայրահեղ» ֆիզիկան՝ կապված ժամանակի կորերի և սև խոռոչների գոլորշիացման հետ:
Այսօր քվանտային տելեպորտացիան հաստատվել է աշխարհի լաբորատորիաներում՝ օգտագործելով բազմաթիվ տարբեր սուբստրատներ և տեխնոլոգիաներ, այդ թվում՝ ֆոտոնիկ քուբիթներ, միջուկային մագնիսական ռեզոնանս, օպտիկական ռեժիմներ, ատոմների խմբեր, թակարդված ատոմներ ևկիսահաղորդչային համակարգեր. Ակնառու արդյունքներ են ձեռք բերվել տելեպորտացիոն տիրույթի ոլորտում, արբանյակների հետ փորձեր են սպասվում։ Բացի այդ, փորձեր են սկսվել ընդլայնելու ավելի բարդ համակարգեր:
Քյուբիթների հեռահաղորդում
Քվանտային տելեպորտացիան առաջին անգամ նկարագրվել է երկաստիճան համակարգերի, այսպես կոչված, քյուբիթների համար: Արձանագրությունը համարում է երկու հեռավոր կողմեր, որոնք կոչվում են Ալիս և Բոբ, որոնք կիսում են 2 քյուբիթ՝ A և B, մաքուր խճճված վիճակում, որը նաև կոչվում է Bell զույգ: Մուտքի ժամանակ Ալիսին տրվում է ևս մեկ qubit a, որի ρ վիճակը անհայտ է: Այնուհետև նա կատարում է համատեղ քվանտային չափում, որը կոչվում է զանգի հայտնաբերում: Այն տանում է a և A չորս Bell վիճակներից մեկին: Արդյունքում, Ալիսի մուտքային քյուբիթի վիճակը անհետանում է չափման ընթացքում, և Բոբի B կուբիտը միաժամանակ նախագծվում է Р†kρP k. Արձանագրության վերջին փուլում Ալիսը ուղարկում է իր չափումների դասական արդյունքը Բոբին, ով օգտագործում է Պաուլիի օպերատոր Pk՝ սկզբնական ρ-ը վերականգնելու համար::
Ալիսի քյուբիթի սկզբնական վիճակը համարվում է անհայտ, քանի որ հակառակ դեպքում արձանագրությունը կրճատվում է մինչև իր հեռավոր չափումը: Որպես այլընտրանք, այն ինքնին կարող է լինել ավելի մեծ կոմպոզիտային համակարգի մաս, որը համօգտագործվում է երրորդ կողմի հետ (որ դեպքում հաջող հեռահաղորդումը պահանջում է վերարտադրել այդ երրորդ կողմի հետ բոլոր հարաբերակցությունները):
Տիպիկ քվանտային հեռահաղորդման փորձը ենթադրում է, որ սկզբնական վիճակը մաքուր է և պատկանում է սահմանափակ այբուբենին,օրինակ՝ Բլոխի ոլորտի վեց բեւեռները։ Ապակոհերենտության առկայության դեպքում վերակառուցված վիճակի որակը կարող է քանակականացվել F ∈ [0, 1] հեռահաղորդման ճշգրտությամբ: Սա Ալիսի և Բոբի վիճակների միջև եղած ճշգրտությունն է՝ միջինացված զանգի հայտնաբերման բոլոր արդյունքների և բնօրինակ այբուբենի վրա: Ցածր ճշգրտության արժեքների դեպքում կան մեթոդներ, որոնք թույլ են տալիս անկատար հեռահաղորդում` առանց մշուշոտ ռեսուրսի օգտագործման: Օրինակ, Ալիսը կարող է ուղղակիորեն չափել իր սկզբնական վիճակը՝ արդյունքներն ուղարկելով Բոբին, որպեսզի պատրաստի ստացված վիճակը: Չափման-պատրաստման այս ռազմավարությունը կոչվում է «դասական տելեպորտացիա»։ Այն ունի առավելագույն ճշգրտություն Fclass=2/3 կամայական մուտքագրման վիճակի համար, որը համարժեք է փոխադարձ անկողմնակալ վիճակների այբուբենի, օրինակ՝ Բլոխի ոլորտի վեց բևեռներին:
Այսպիսով, քվանտային ռեսուրսների օգտագործման հստակ ցուցիչ է ճշտության արժեքը F> Fդաս.
Ոչ մի քյուբիթ
Ըստ քվանտային ֆիզիկայի, հեռահաղորդումը չի սահմանափակվում քյուբիթներով, այն կարող է ներառել բազմաչափ համակարգեր։ Յուրաքանչյուր վերջավոր չափման d-ի համար կարելի է ձևակերպել տելեպորտացիայի իդեալական սխեման՝ օգտագործելով առավելագույն խճճված վիճակի վեկտորների հիմքը, որը կարելի է ստանալ տվյալ առավելագույն խճճված վիճակից և հիմքից {Uk}: միավոր օպերատորներ, որոնք բավարարում են tr(U †j Uk)=dδj, k . Նման արձանագրություն կարելի է կառուցել ցանկացած վերջավոր չափերի Հիլբերտի համարտարածություններ, այսպես կոչված. դիսկրետ փոփոխական համակարգեր։
Բացի այդ, քվանտային տելեպորտացիան կարող է տարածվել նաև անսահման չափերի Հիլբերտի տարածություն ունեցող համակարգերի վրա, որոնք կոչվում են շարունակական փոփոխական համակարգեր: Որպես կանոն, դրանք իրականացվում են օպտիկական բոզոնային ռեժիմներով, որոնց էլեկտրական դաշտը կարելի է նկարագրել քառակուսի օպերատորներով։
Արագության և անորոշության սկզբունք
Որքա՞ն է քվանտային տելեպորտացիայի արագությունը: Տեղեկատվությունը փոխանցվում է դասական փոխանցման նույն քանակի արագությամբ, միգուցե լույսի արագությամբ: Տեսականորեն այն կարող է օգտագործվել այնպես, ինչպես դասականը չի կարող, օրինակ՝ քվանտային հաշվարկներում, որտեղ տվյալները հասանելի են միայն ստացողին:
Արդյո՞ք քվանտային տելեպորտացիան խախտում է անորոշության սկզբունքը: Նախկինում հեռահաղորդման գաղափարը գիտնականների կողմից այնքան էլ լուրջ չէր ընդունվում, քանի որ կարծում էին, որ այն խախտում է այն սկզբունքը, որ ցանկացած չափման կամ սկանավորման գործընթաց չի կարող կորզել ատոմի կամ այլ օբյեկտի ողջ տեղեկատվությունը: Համաձայն անորոշության սկզբունքի, որքան ավելի ճշգրիտ է սկանավորվում օբյեկտը, այնքան ավելի շատ է ազդում սկանավորման գործընթացի վրա, մինչև հասնենք այն կետին, երբ օբյեկտի սկզբնական վիճակն այնքան խախտվի, որ այլևս հնարավոր չլինի ստանալ. բավականաչափ տեղեկատվություն ճշգրիտ պատճեն ստեղծելու համար: Սա համոզիչ է թվում. եթե մարդը չի կարող որևէ առարկայից տեղեկատվություն հանել՝ կատարյալ պատճեն ստեղծելու համար, ապա վերջինը չի կարող պատրաստվել։
Քվանտային տելեպորտացիա կեղծամների համար
Բայց վեց գիտնականներ (Չարլզ Բենեթ, Ժիլ Բրասսարդ, Կլոդ Կրեպո, Ռիչարդ Ժոզա, Աշեր Պերես և Ուիլյամ Վուտերս) այս տրամաբանության շուրջ ճանապարհ գտան՝ օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի հայտնի և պարադոքսալ հատկանիշը, որը հայտնի է որպես Էյնշտեյն-Պոդոլսկի- Rosen էֆեկտ. Նրանք գտել են A տելեպորտացված օբյեկտի տեղեկատվության մի մասը սկանավորելու, իսկ մնացած չստուգված մասը նշված էֆեկտի միջոցով փոխանցելու մեկ այլ C օբյեկտ, որը երբեք չի շփվել A-ի հետ։
Այնուհետև, C-ի վրա կիրառելով ազդեցություն, որը կախված է սկանավորված տեղեկատվությունից, դուք կարող եք C-ն դնել A վիճակի նախքան սկանավորումը: A-ն ինքն այլևս նույն վիճակում չէ, քանի որ այն ամբողջությամբ փոխվել է սկանավորման գործընթացի արդյունքում, հետևաբար, ձեռք բերվածը տելեպորտացումն է, այլ ոչ թե կրկնօրինակումը:
Պայքար տիրույթի համար
- Առաջին քվանտային տելեպորտացիան իրականացվել է 1997 թվականին գրեթե միաժամանակ Ինսբրուկի և Հռոմի համալսարանների գիտնականների կողմից: Փորձի ընթացքում բնօրինակ ֆոտոնը, որն ունի բևեռացում, և խճճված զույգ ֆոտոններից մեկը, փոխվել են այնպես, որ երկրորդ ֆոտոնը ստացել է սկզբնականի բևեռացումը։ Այս դեպքում երկու ֆոտոններն էլ գտնվում էին միմյանցից հեռավորության վրա։
- 2012 թվականին տեղի ունեցավ ևս մեկ քվանտային տելեպորտացիա (Չինաստան, Գիտության և տեխնոլոգիայի համալսարան) 97 կմ հեռավորության վրա գտնվող բարձր լեռնային լճի միջով։ Շանհայից գիտնականների խմբին՝ Հուանգ Ինի գլխավորությամբ, հաջողվել է մշակել տանող մեխանիզմ, որը հնարավորություն է տվել ճշգրիտ ուղղորդել ճառագայթը։
- Նույն թվականի սեպտեմբերին իրականացվել է 143 կմ ռեկորդային քվանտային տելեպորտացիա։ Ավստրիացի գիտնականներ Ավստրիայի գիտությունների ակադեմիայից և համալսարանիցՎիեննան՝ Անտոն Զեյլինգերի գլխավորությամբ, հաջողությամբ տեղափոխեց քվանտային վիճակներ երկու Կանարյան կղզիների՝ Լա Պալմայի և Տեներիֆեի միջև։ Փորձարկումն օգտագործեց երկու օպտիկական կապի գիծ բաց տարածության մեջ՝ քվանտային և դասական, հաճախականության չկապված բևեռացում, խճճված աղբյուրի ֆոտոնների զույգ, ծայրահեղ ցածր աղմուկի մեկ ֆոտոն դետեկտորներ և զուգակցված ժամացույցի համաժամացում:
- 2015 թվականին ԱՄՆ Ստանդարտների և տեխնոլոգիաների ազգային ինստիտուտի հետազոտողները առաջին անգամ տեղեկատվություն են փոխանցել ավելի քան 100 կմ հեռավորության վրա՝ օպտիկական մանրաթելերի միջոցով: Դա հնարավոր է դարձել ինստիտուտում ստեղծված մեկ ֆոտոտոնային դետեկտորների շնորհիվ՝ օգտագործելով մոլիբդենի սիլիցիդից պատրաստված գերհաղորդիչ նանոլարեր։
Ակնհայտ է, որ իդեալական քվանտային համակարգը կամ տեխնոլոգիան դեռ գոյություն չունի, և ապագայի մեծ հայտնագործությունները դեռ առջևում են: Այնուամենայնիվ, կարելի է փորձել բացահայտել հնարավոր թեկնածուներին հեռահաղորդակցության կոնկրետ կիրառություններում։ Դրանց համապատասխան հիբրիդացումը՝ հաշվի առնելով համատեղելի շրջանակը և մեթոդները, կարող է ապահովել առավել խոստումնալից ապագա քվանտային տելեպորտացիայի և դրա կիրառման համար:
Կարճ հեռավորություններ
Հեռահաղորդումը կարճ հեռավորությունների վրա (մինչև 1 մ), որպես քվանտային հաշվարկային ենթահամակարգ, խոստումնալից է կիսահաղորդչային սարքերի համար, որոնցից լավագույնը QED սխեման է: Մասնավորապես, գերհաղորդիչ տրանսմոնային քյուբիթները կարող են երաշխավորել դետերմինիստական և բարձր ճշգրտության վրա տեղադրված հեռահաղորդում: Նրանք նաև թույլ են տալիս իրական ժամանակի ուղիղ սնուցում, որըխնդրահարույց տեսք ունի ֆոտոնիկ չիպերի վրա: Բացի այդ, դրանք ապահովում են ավելի լայնածավալ ճարտարապետություն և գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների ավելի լավ ինտեգրում՝ համեմատած նախորդ մոտեցումների հետ, ինչպիսիք են թակարդված իոնները: Ներկայումս այս համակարգերի միակ թերությունը, թվում է, նրանց սահմանափակ համահունչ ժամանակն է (<100 µs): Այս խնդիրը կարող է լուծվել՝ ինտեգրելով QED սխեման կիսահաղորդչային սպին-անսամբլի հիշողության բջիջների հետ (ազոտով փոխարինված թափուր աշխատատեղերով կամ հազվագյուտ հողով պարունակվող բյուրեղներով), ինչը կարող է երկար համահունչ ժամանակ ապահովել քվանտային տվյալների պահպանման համար: Այս իրականացումը ներկայումս մեծ ջանքերի առարկա է գիտական հանրության կողմից:
Քաղաքային հաղորդակցություն
Հեռահաղորդակցությունը քաղաքային մասշտաբով (մի քանի կիլոմետր) կարող է մշակվել օպտիկական ռեժիմների միջոցով: Բավականին ցածր կորուստներով այս համակարգերը ապահովում են բարձր արագություններ և թողունակություն: Դրանք կարող են ընդլայնվել աշխատասեղանի իրագործումներից մինչև օդի կամ մանրաթելերի միջոցով գործող միջին հեռահարության համակարգեր՝ անսամբլային քվանտային հիշողության հետ հնարավոր ինտեգրմամբ: Ավելի երկար հեռավորություններ, բայց ավելի ցածր արագություններ կարելի է ձեռք բերել հիբրիդային մոտեցմամբ կամ ոչ գաուսյան գործընթացների վրա հիմնված լավ կրկնողներ մշակելու միջոցով:
միջքաղաքային հաղորդակցություն
Երկար հեռավորությունների քվանտային տելեպորտացիան (ավելի քան 100 կմ) ակտիվ տարածք է, բայց դեռևս տառապում է բաց խնդրից: Բևեռացման քյուբիթներ -ցածր արագությամբ հեռահաղորդման լավագույն կրիչները երկար օպտիկամանրաթելային կապերով և օդով, սակայն արձանագրությունը ներկայումս հավանական է զանգի թերի հայտնաբերման պատճառով:
Չնայած հավանականական հեռահաղորդումը և խճճվածությունները ընդունելի են այնպիսի խնդիրների համար, ինչպիսիք են խճճված թորումը և քվանտային ծածկագրությունը, սա ակնհայտորեն տարբերվում է հաղորդակցությունից, որտեղ մուտքային տվյալները պետք է ամբողջությամբ պահպանվեն:
Եթե մենք ընդունենք այս հավանականական բնույթը, ապա արբանյակների ներդրումը ժամանակակից տեխնոլոգիաների հասանելիության սահմաններում է: Հետագծման մեթոդների ինտեգրումից բացի, հիմնական խնդիրը ճառագայթների տարածման հետևանքով առաջացած բարձր կորուստներն են: Սա կարելի է հաղթահարել այնպիսի կոնֆիգուրացիայի դեպքում, որտեղ խճճվածությունը բաշխվում է արբանյակից դեպի մեծ բացվածքով ցամաքային աստղադիտակներ: Ենթադրելով, որ արբանյակի բացվածքը 20 սմ է 600 կմ բարձրության վրա և 1 մ աստղադիտակի բացվածք գետնի վրա, կարելի է ակնկալել ներքևի կապի մոտ 75 դԲ կորուստ, ինչը ավելի քիչ է, քան 80 դԲ կորուստը գետնի մակարդակում: Գետնից արբանյակ կամ արբանյակից արբանյակ իրականացումներն ավելի բարդ են:
Քվանտային հիշողություն
Տելեպորտացիայի ապագա օգտագործումը որպես մասշտաբային ցանցի մաս ուղղակիորեն կախված է քվանտային հիշողության հետ դրա ինտեգրումից: Վերջինս պետք է ունենա գերազանց ճառագայթման ինտերֆեյս՝ փոխակերպման արդյունավետության, ձայնագրման և ընթերցման ճշգրտության, պահեստավորման ժամանակի և թողունակության, բարձր արագության և պահեստավորման հզորության առումով: ԱռաջինԻր հերթին, դա թույլ կտա ռելեների օգտագործումը ընդլայնել հաղորդակցությունը ուղիղ հաղորդման սահմաններից դուրս՝ օգտագործելով սխալների ուղղման կոդերը: Լավ քվանտային հիշողության զարգացումը թույլ կտա ոչ միայն բաշխել խճճվածությունը ցանցի և հեռահաղորդման հաղորդակցության վրա, այլև պահպանված տեղեկատվությունը համահունչ կերպով մշակել: Ի վերջո, սա կարող է ցանցը վերածել գլոբալ բաշխված քվանտային համակարգչի կամ ապագա քվանտային ինտերնետի հիմքի։
Խոստումնալից զարգացումներ
Ատոմային անսամբլները ավանդաբար համարվում են գրավիչ՝ շնորհիվ իրենց արդյունավետ լույսից նյութ փոխակերպման և դրանց միլիվայրկյան կյանքի տևողության, որը կարող է լինել այնքան բարձր, որքան 100մ-ն, որն անհրաժեշտ է լույս փոխանցելու համար համաշխարհային մասշտաբով: Այնուամենայնիվ, այսօր սպասվում են ավելի խոստումնալից զարգացումներ՝ հիմնված կիսահաղորդչային համակարգերի վրա, որտեղ հիանալի սպին-անսամբլային քվանտային հիշողությունն ուղղակիորեն ինտեգրված է ընդլայնվող QED շղթայի ճարտարապետությանը: Այս հիշողությունը կարող է ոչ միայն երկարացնել QED սխեմայի փոխկապակցման ժամանակը, այլ նաև ապահովել օպտիկական-միկրոալիքային ինտերֆեյս օպտիկական հեռահաղորդակցության և միկրոալիքային միկրոալիքային ֆոտոնների փոխակերպման համար:
Այսպիսով, գիտնականների ապագա հայտնագործությունները քվանտային ինտերնետի ոլորտում, ամենայն հավանականությամբ, հիմնված կլինեն հեռահար օպտիկական հաղորդակցության վրա՝ զուգակցված կիսահաղորդչային հանգույցների հետ՝ քվանտային տեղեկատվությունը մշակելու համար:
