Teletrasporto quantistico: le grandi scoperte dei fisici

Il teletrasporto quantico è uno dei piùprotocolli importanti in informazione quantistica. Basato sulla risorsa fisica dell'entanglement, funge da elemento principale di varie attività di informazione ed è un componente importante delle tecnologie quantistiche, svolgendo un ruolo chiave nell'ulteriore sviluppo dell'informatica quantistica, delle reti e della comunicazione.

Dalla fantascienza alla scoperte scientifiche

Da oltre due decennile scoperte del teletrasporto quantico, che è forse una delle conseguenze più interessanti ed eccitanti della "stranezza" della meccanica quantistica. Prima che queste grandi scoperte fossero fatte, questa idea apparteneva al campo della fantascienza. Il termine "teletrasporto", coniato per la prima volta da Charles H. Fort nel 1931, è stato utilizzato per riferirsi al processo attraverso il quale corpi e oggetti vengono trasferiti da un luogo all'altro senza effettivamente colmare la distanza tra loro.

Nel 1993 fu pubblicato un articolo che descrivevaun protocollo di informazione quantistica, chiamato "teletrasporto quantico", che separava molte delle caratteristiche sopra elencate. In esso, lo stato sconosciuto del sistema fisico viene misurato e successivamente riprodotto o "riassemblato" in una posizione remota (gli elementi fisici del sistema originale rimangono nel punto di trasferimento). Questo processo richiede i mezzi di comunicazione classici ed elimina la comunicazione superluminale. Richiede una risorsa di entanglement. In effetti, il teletrasporto può essere visto come un protocollo di informazione quantistica che dimostra più chiaramente la natura dell'entanglement: senza la sua presenza, un tale stato di trasmissione non sarebbe possibile nel quadro delle leggi che descrivono la meccanica quantistica.

Il teletrasporto gioca un ruolo attivo nello svilupposcienza dell'informazione. Da un lato, questo è un protocollo concettuale che svolge un ruolo cruciale nello sviluppo di una teoria quantistica formale dell'informazione e, dall'altra, è una componente fondamentale di molte tecnologie. Un seguace quantico è un elemento chiave della comunicazione a lunga distanza. Il teletrasporto di interruttori quantici, i calcoli basati sulla misurazione e le reti quantistiche sono tutti derivati ​​da esso. È anche usato come semplice strumento per studiare la fisica "estrema" riguardante le curve temporali e l'evaporazione dei buchi neri.

Oggi, il teletrasporto quantistico è confermato inlaboratori in tutto il mondo che utilizzano una varietà di differenti substrati e tecnologie, inclusi qubit di fotoni, risonanza magnetica nucleare, modalità ottiche, gruppi di atomi, atomi intrappolati e sistemi a semiconduttore. Risultati eccezionali sono stati raggiunti nel campo del teletrasporto, gli esperimenti con i satelliti stanno arrivando. Inoltre, i tentativi hanno iniziato a ridimensionarsi a sistemi più complessi.

Teleporting qubits

Il teletrasporto quantico è stato descritto per la prima voltasistemi a due livelli, i cosiddetti qubit. Il protocollo considera due parti remote, denominate Alice e Bob, che separano 2 qubit, A e B, in uno stato di puro confusione, indicato anche come coppia di campane. All'ingresso, Alice riceve un altro qubit di a, il cui stato ρ è sconosciuto. Esegue quindi una misura quantica congiunta chiamata Rilevamento campana. Prende un e A per uno dei quattro stati di Bell. Di conseguenza, lo stato del qubit di input di Alice scompare nella misurazione e il qubit B di Bob viene simultaneamente proiettato su P^†_aρP_a. Nella fase finale del protocollo, Alice trasmette il classico risultato della sua misurazione a Bob, che usa l'operatore Pauli P_a per ripristinare l'originale ρ.

Viene considerato lo stato iniziale del qubit di Alicesconosciuto, perché altrimenti il ​​protocollo viene ridotto alla sua misura remota. Inoltre, può essere parte di un sistema composito più ampio condiviso con una terza parte (in questo caso, il teletrasporto di successo richiede la riproduzione di tutte le correlazioni con questa terza parte).

Tipico esperimento di teletrasporto quantisticoAssume che lo stato iniziale è puro e appartiene ad un alfabeto limitato, ad esempio i sei poli della sfera di Bloch. In presenza di decoerenza, la qualità dello stato ricostruito può essere espressa quantitativamente dalla precisione di teletrasporto F ∈ [0, 1]. Questa è l'accuratezza tra gli stati di Alice e Bob, mediata su tutti i risultati di scoperta di Bell e sull'alfabeto originale. Per piccoli valori di accuratezza, esistono metodi che consentono il teletrasporto imperfetto senza l'uso di una risorsa complessa. Ad esempio, Alice può misurare direttamente il suo stato iniziale inviando i risultati a Bob per preparare lo stato risultante. Questa strategia di preparazione delle misure è chiamata "teletrasporto classico". Ha la massima precisione f_classe = 2/3 per uno stato di input arbitrario, che è equivalente all'alfabeto di stati reciprocamente imparziali, come i sei poli della sfera di Bloch.

Quindi, un chiaro segno dell'uso delle risorse quantistiche è il valore dell'accuratezza F> F_classe.

Non smettere di uno

Come afferma la fisica quantistica, il teletrasporto non lo èlimitato ai qubit, può includere sistemi multidimensionali. Per ogni dimensione finita d, uno schema di teletrasporto ideale può essere formulato utilizzando la base dei vettori di stato più entangled, che possono essere ottenuti da un dato stato di entangled massimo e la base {U_a} operatori unitari che soddisfano tr (U^†_j U_a) = dδ_{j, k}. Tale protocollo può essere costruito per qualsiasi spazio Hilbert di dimensioni finite, cosiddetto. sistemi a variabile discreta.

Inoltre, il teletrasporto quantico puòestendere a sistemi con spazi di Hilbert infinito-dimensionali, chiamati sistemi a variabile continua. Di norma, sono realizzati in modalità boson ottico, il cui campo elettrico può essere descritto da operatori in quadratura.

Velocità e incertezza

Qual è la velocità del teletrasporto quantico? Le informazioni vengono trasmesse ad una velocità simile alla velocità di trasmissione della stessa quantità di classico, forse alla velocità della luce. In teoria, può essere utilizzato in modo tale che il classico non possa - ad esempio, nel calcolo quantistico, in cui i dati sono disponibili solo per il destinatario.

Il teletrasporto quantico viola il principio?l'incertezza? In passato, l'idea del teletrasporto non veniva presa molto sul serio dagli scienziati, perché si riteneva che violasse il principio di proibire qualsiasi processo di misurazione o scansione dall'estrarre tutte le informazioni di un atomo o di un altro oggetto. Conformemente al principio di incertezza, più accuratamente viene scansionato un oggetto, più viene influenzato dal processo di scansione fino a quando non viene raggiunto un punto quando lo stato iniziale dell'oggetto viene disturbato a tal punto che non è più possibile ottenere informazioni sufficienti per creare una copia esatta. Questo suona convincente: se una persona non può estrarre informazioni da un oggetto per creare una copia perfetta, quest'ultima non può essere realizzata.

Teletrasporto quantistico per fantocci

Ma sei scienziati (Charles Bennett, Gilles Brassard,Claude Krepo, Richard Jos, Asher Perez e William Wouters) hanno trovato un modo per aggirare questa logica usando la caratteristica famosa e paradossale della meccanica quantistica, nota come effetto Einstein-Podolsky-Rosen. Hanno trovato un modo per scansionare una parte delle informazioni dell'oggetto teleportato A e trasferire la parte rimanente non testata sull'altro oggetto C, che non era mai stato in contatto con A, attraverso questo effetto.

Inoltre, applicando all'esposizione C,a seconda delle informazioni scansionate, è possibile inserire C nello stato A prima della scansione. Lui stesso non è più in quello stato, dal momento che è stato completamente cambiato dal processo di scansione, quindi ciò che si ottiene è il teletrasporto, non la replica.

Combatti per la portata

• Il primo teletrasporto quantistico è stato effettuato a1997 quasi contemporaneamente da scienziati dell'Università di Innsbruck e dell'Università di Roma. Durante l'esperimento, il fotone originale con polarizzazione e uno di una coppia di fotoni entangled subì un cambiamento in modo tale che il secondo fotone ricevesse la polarizzazione dell'originale. In questo caso, entrambi i fotoni erano situati a una distanza l'uno dall'altro.
• Nel 2012 Un altro teletrasporto quantistico (Cina, Università della Scienza e della Tecnologia) si è svolto su un lago di alta quota a una distanza di 97 km. Un team di scienziati di Shanghai guidato da Juan Yin è riuscito a sviluppare un meccanismo suggestivo che ha permesso di indirizzare il raggio con precisione.
• Nel settembre dello stesso anno, un recordteletrasporto quantistico su 143 km. Gli scienziati austriaci dell'Accademia delle scienze austriaca e dell'Università di Vienna sotto la guida di Anton Zeilinger hanno trasferito con successo stati quantici tra le due isole Canarie di La Palma e Tenerife. L'esperimento ha utilizzato due linee di comunicazione ottica nello spazio aperto, una coppia di fotoni polarizzata entangled di frequenza quantistica e classica, non correlata alla frequenza, rivelatori a singolo fotone ultra-silenziosi e sincronizzazione sincronizzata dell'orologio.
• Nel 2015 Per la prima volta, i ricercatori dell'American National Institute of Standards and Technology hanno trasmesso informazioni su una distanza di oltre 100 km via fibra. Ciò è stato reso possibile dai rivelatori a singolo fotone creati nell'istituto utilizzando nanofili di siliciuro di molibdeno superconduttori.

È chiaro che un sistema quantistico ideale ola tecnologia non esiste ancora e le grandi scoperte del futuro devono ancora venire. Tuttavia, puoi provare a identificare possibili candidati in specifiche aree di teletrasporto. Un'idonea ibridazione di questi, a condizione che una base e un metodo compatibili possano fornire il futuro più promettente per il teletrasporto quantistico e le sue applicazioni.

Breve distanza

Teletrasporto su brevi distanze (fino a 1 m) comeIl sottosistema dell'elaborazione quantistica è promettente per i dispositivi a semiconduttore, il migliore dei quali è il circuito QED. In particolare, i qubit transmonici superconduttori possono garantire un teletrasporto deterministico e di alta precisione su un chip. Consentono inoltre l'alimentazione diretta in tempo reale, che sembra problematico sui chip fotonici. Inoltre, forniscono un'architettura più scalabile e una migliore integrazione delle tecnologie esistenti rispetto agli approcci precedenti, come gli ioni intrappolati. Allo stato attuale, l'unico inconveniente di questi sistemi sembra essere il loro tempo di coerenza limitato (<100 μs). Questo problema può essere risolto integrando il circuito QED con celle di memoria di spin-ensemble a semiconduttore (con posti liberi sostituiti con azoto o elementi di cristalli rotti drogati di cristalli), che può fornire un lungo tempo di coerenza per la memorizzazione di dati quantici. Attualmente, questa implementazione è oggetto di grandi sforzi da parte della comunità scientifica.

Collegamento urbano

Comunicazione di teletrasporto in tutta la città(diversi chilometri) potrebbe essere sviluppato utilizzando le modalità ottiche. Con perdite sufficientemente basse, questi sistemi forniscono alte velocità e larghezze di banda. Possono essere estese da implementazioni desktop a sistemi a medio raggio operanti via etere o fibra, con possibile integrazione con la memoria quantistica dell'ensemble. Distanze più lunghe, ma a velocità inferiori, possono essere ottenute utilizzando un approccio ibrido o sviluppando buoni ripetitori basati su processi non gaussiani.

Lunga distanza

Teletrasporto quantistico a lunga distanza (più di 100km) è un'area attiva, ma soffre ancora di un problema aperto. I qubit di polarizzazione sono i migliori vettori per il teletrasporto a bassa velocità su lunghe linee di comunicazione in fibra ottica e via etere, ma il protocollo è attualmente probabilistico a causa del rilevamento incompleto della campana.

Sebbene teletrasporto probabilistico ed entanglementaccettabile per compiti come la distillazione di entanglement e la crittografia quantistica, ma questo è chiaramente diverso dalla comunicazione, in cui le informazioni di input devono essere pienamente preservate.

Se prendiamo questo carattere probabilistico, allorale implementazioni satellitari sono alla portata della tecnologia moderna. Oltre all'integrazione dei metodi di tracciamento, il problema principale è l'elevata perdita causata dalla diffusione del raggio. Questo può essere risolto in una configurazione in cui l'entanglement è distribuito dal satellite ai telescopi terrestri a grande apertura. Supponendo un'apertura satellitare di 20 cm a 600 km di altitudine e la prima apertura del telescopio a terra, possiamo aspettarci circa 75 dB di perdita nel canale di downlink, che è meno di 80 dB di perdita a livello del suolo. Le implementazioni da terra a satellite o da satellite a satellite sono più complesse.

Memoria quantica

L'uso futuro del teletrasporto comeUna parte integrante di una rete scalabile dipende direttamente dalla sua integrazione con la memoria quantistica. Quest'ultimo dovrebbe avere un eccellente, in termini di efficienza di conversione, interfaccia radiazione-materia, precisione di registrazione e lettura, tempo di memorizzazione e larghezza di banda, alta velocità e capacità di memorizzazione. In primo luogo, ciò consentirà l'uso di ripetitori per espandere la comunicazione ben oltre la trasmissione diretta utilizzando i codici di correzione dell'errore. Lo sviluppo di una buona memoria quantistica consentirebbe non solo di distribuire l'entanglement sulla rete e la comunicazione di teletrasporto, ma anche di elaborare coerentemente le informazioni memorizzate. Alla fine, ciò potrebbe trasformare la rete in un computer quantico distribuito su scala mondiale o una base per il futuro Internet quantistico.

Sviluppo prospettico

Gli ensemble atomici erano tradizionalmente consideratiattraenti grazie alla loro efficiente conversione da luce a luce e ai loro periodi di memorizzazione millisecondi, che possono raggiungere i 100 ms richiesti per trasmettere la luce su scala globale. Tuttavia, oggi sono attesi sviluppi più promettenti sulla base dei sistemi a semiconduttore, in cui l'eccellente memoria quantistica di spin-insieme è direttamente integrata con l'architettura scalabile del circuito QED. Questa memoria non solo può estendere il tempo di coerenza del circuito QED, ma fornisce anche un'interfaccia a microonde-ottica per l'interconversione dei fotoni a microonde a chip di telecomunicazione ottica.

Pertanto, le future scoperte di scienziati nel campo della Internet quantistica sono probabilmente basate su comunicazioni ottiche lontane accoppiate con nodi a semiconduttori per l'elaborazione di informazioni quantistiche.

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