Kwantumteleportatie is een van de belangrijkste protocollen in kwantuminformatie. Gebaseerd op de fysieke bron van verstrengeling, dient het als het belangrijkste element van verschillende informatietaken en is het een belangrijk onderdeel van kwantumtechnologieën, die een sleutelrol spelen in de verdere ontwikkeling van kwantumcomputers, netwerken en communicatie.
Van sciencefiction tot de ontdekking van wetenschappers
Het is meer dan twee decennia geleden sinds de ontdekking van kwantumteleportatie, wat misschien wel een van de meest interessante en opwindende gevolgen is van de "vreemdheid" van de kwantummechanica. Voordat deze grote ontdekkingen werden gedaan, behoorde dit idee tot het domein van de sciencefiction. Voor het eerst bedacht in 1931 door Charles H. Fort, is de term 'teleportatie' sindsdien gebruikt om te verwijzen naar het proces waarbij lichamen en objecten van de ene plaats naar de andere worden overgebracht zonder daadwerkelijk de afstand tussen hen af te leggen.
In 1993 werd een artikel gepubliceerd waarin het kwantuminformatieprotocol werd beschreven, genaamd"kwantumteleportatie", die een aantal van de hierboven genoemde functies deelde. Daarin wordt de onbekende toestand van een fysiek systeem gemeten en vervolgens gereproduceerd of "opnieuw in elkaar gezet" op een externe locatie (de fysieke elementen van het oorspronkelijke systeem blijven op de transmissielocatie). Dit proces vereist klassieke communicatiemiddelen en sluit FTL-communicatie uit. Het heeft een bron van verstrikking nodig. In feite kan teleportatie worden gezien als een kwantuminformatieprotocol dat het duidelijkst de aard van verstrengeling aantoont: zonder zijn aanwezigheid zou een dergelijke transmissietoestand niet mogelijk zijn binnen het kader van de wetten die de kwantummechanica beschrijven.
Teleportatie speelt een actieve rol in de ontwikkeling van de informatiewetenschap. Enerzijds is het een conceptueel protocol dat een beslissende rol speelt in de ontwikkeling van de formele kwantuminformatietheorie, en anderzijds is het een fundamenteel onderdeel van veel technologieën. De kwantumrepeater is een belangrijk element van communicatie over lange afstanden. Teleportatie van kwantumschakelaars, op dimensies gebaseerd computergebruik en kwantumnetwerken zijn er allemaal afgeleiden van. Het wordt ook gebruikt als een eenvoudig hulpmiddel voor het bestuderen van "extreme" fysica met betrekking tot tijdcurven en verdamping van zwarte gaten.
Tegenwoordig is kwantumteleportatie bevestigd in laboratoria over de hele wereld met behulp van veel verschillende substraten en technologieën, waaronder fotonische qubits, nucleaire magnetische resonantie, optische modi, groepen atomen, ingesloten atomen enhalfgeleider systemen. Er zijn uitstekende resultaten geboekt op het gebied van teleportatiebereik, experimenten met satellieten komen eraan. Daarnaast zijn er pogingen begonnen om op te schalen naar complexere systemen.
Teleportatie van qubits
Quantumteleportatie werd voor het eerst beschreven voor systemen met twee niveaus, de zogenaamde qubits. Het protocol beschouwt twee verre partijen, Alice en Bob genaamd, die 2 qubits, A en B, delen in een zuivere verstrengelde staat, ook wel een Bell-paar genoemd. Bij de invoer krijgt Alice nog een qubit a, waarvan de toestand ρ onbekend is. Vervolgens voert ze een gezamenlijke kwantummeting uit, genaamd Bell-detectie. Er zijn a en A nodig voor een van de vier Bell-toestanden. Als resultaat verdwijnt de toestand van Alice's invoerqubit tijdens de meting en wordt Bob's B-qubit tegelijkertijd geprojecteerd op Р†kρP k. In de laatste fase van het protocol stuurt Alice het klassieke resultaat van haar meting naar Bob, die de Pauli-operator Pk gebruikt om de oorspronkelijke ρ. te herstellen.
De begintoestand van de qubit van Alice wordt als onbekend beschouwd, omdat het protocol anders wordt gereduceerd tot de meting op afstand. Als alternatief kan het zelf deel uitmaken van een groter samengesteld systeem dat wordt gedeeld met een derde partij (in welk geval voor succesvolle teleportatie alle correlaties met die derde partij moeten worden gereproduceerd).
Een typisch kwantumteleportatie-experiment gaat ervan uit dat de begintoestand zuiver is en tot een beperkt alfabet behoort,bijvoorbeeld de zes polen van de Bloch-bol. In aanwezigheid van decoherentie kan de kwaliteit van de gereconstrueerde toestand worden gekwantificeerd door de teleportatienauwkeurigheid F ∈ [0, 1]. Dit is de nauwkeurigheid tussen de toestanden van Alice en Bob, gemiddeld over alle Bell-detectieresultaten en het oorspronkelijke alfabet. Bij lage nauwkeurigheidswaarden zijn er methoden die onvolmaakte teleportatie mogelijk maken zonder een versluierde bron te gebruiken. Alice kan bijvoorbeeld haar oorspronkelijke staat rechtstreeks meten door de resultaten naar Bob te sturen om de resulterende staat voor te bereiden. Deze meet-voorbereidingsstrategie wordt "klassieke teleportatie" genoemd. Het heeft een maximale precisie van Fclass=2/3 voor een willekeurige invoertoestand, wat gelijk is aan een alfabet van wederzijds onbevooroordeelde toestanden, zoals de zes polen van een Bloch-bol.
Een duidelijke indicatie van het gebruik van kwantumbronnen is dus de nauwkeurigheidswaarde F> Fclass.
Geen enkele qubit
Volgens de kwantumfysica is teleportatie niet beperkt tot qubits, maar kan het multidimensionale systemen omvatten. Voor elke eindige dimensie d kan men een ideaal teleportatieschema formuleren op basis van maximaal verstrengelde toestandsvectoren, die kan worden verkregen uit een gegeven maximaal verstrengelde toestand en een basis {Uk} van unitaire operatoren die voldoen aan tr(U †j Uk)=dδj, k . Een dergelijk protocol kan worden geconstrueerd voor elke eindig-dimensionale Hilbertruimtes van de zogenaamde. discrete variabele systemen.
Bovendien kan kwantumteleportatie ook worden uitgebreid tot systemen met een oneindig-dimensionale Hilbert-ruimte, continu-variabele systemen genoemd. In de regel worden ze gerealiseerd door optische bosonische modi, waarvan het elektrische veld kan worden beschreven door kwadratuuroperatoren.
Snelheid en onzekerheidsprincipe
Wat is de snelheid van kwantumteleportatie? Informatie wordt verzonden met een snelheid die vergelijkbaar is met die van dezelfde hoeveelheid klassieke transmissie - misschien met de snelheid van het licht. Theoretisch kan het worden gebruikt op manieren die de klassieke niet kan - bijvoorbeeld in kwantumcomputing, waar gegevens alleen beschikbaar zijn voor de ontvanger.
Schendt kwantumteleportatie het onzekerheidsprincipe? In het verleden werd het idee van teleportatie niet erg serieus genomen door wetenschappers omdat men dacht dat het in strijd was met het principe dat een meet- of scanproces niet alle informatie van een atoom of ander object zou extraheren. Volgens het onzekerheidsprincipe geldt dat hoe nauwkeuriger een object wordt gescand, hoe meer het wordt beïnvloed door het scanproces, totdat een punt wordt bereikt waarop de oorspronkelijke staat van het object zodanig wordt geschonden dat het niet langer mogelijk is om genoeg informatie om een exacte kopie te maken. Dit klinkt overtuigend: als een persoon geen informatie uit een object kan halen om een perfecte kopie te maken, dan kan de laatste niet worden gemaakt.
Kwantumteleportatie voor dummies
Maar zes wetenschappers (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez en William Wuthers) hebben een manier gevonden om deze logica te omzeilen door gebruik te maken van de beroemde en paradoxale eigenschap van de kwantummechanica die bekend staat als de Einstein-Podolsky- Rosen-effect. Ze hebben een manier gevonden om een deel van de informatie van het geteleporteerde object A te scannen en de rest van het niet-geverifieerde deel via het genoemde effect over te brengen naar een ander object C, dat nooit in contact is geweest met A.
Verder, door op C een invloed toe te passen die afhangt van de gescande informatie, kun je C in staat A brengen voordat je gaat scannen. A zelf is niet langer in dezelfde staat, omdat het volledig is veranderd door het scanproces, dus wat is bereikt is teleportatie, niet replicatie.
Strijd om bereik
- De eerste kwantumteleportatie werd in 1997 bijna gelijktijdig uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van Innsbruck en de Universiteit van Rome. Tijdens het experiment werden het originele foton, dat een polarisatie heeft, en een van het paar verstrengelde fotonen, zodanig veranderd dat het tweede foton de polarisatie van het originele foton ontving. In dit geval bevonden beide fotonen zich op een afstand van elkaar.
- In 2012 vond weer een kwantumteleportatie plaats (China, Universiteit voor Wetenschap en Technologie) door een hoog bergmeer op een afstand van 97 km. Een team van wetenschappers uit Shanghai, onder leiding van Huang Yin, is erin geslaagd een homing-mechanisme te ontwikkelen dat het mogelijk maakte om de straal nauwkeurig te richten.
- In september van hetzelfde jaar werd een recordkwantumteleportatie van 143 km uitgevoerd. Oostenrijkse wetenschappers van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de UniversiteitWenen, geleid door Anton Zeilinger, heeft met succes kwantumstaten overgedragen tussen de twee Canarische eilanden La Palma en Tenerife. Het experiment gebruikte twee optische communicatielijnen in open ruimte, kwantum en klassiek, frequentie-ongecorreleerde polarisatie verstrengeld paar bronfotonen, ultra-low noise single-photon detectors en gekoppelde kloksynchronisatie.
- In 2015 stuurden onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology voor het eerst informatie over een afstand van meer dan 100 km via glasvezel. Dit werd mogelijk dankzij enkel-fotondetectoren die in het instituut zijn gemaakt, met behulp van supergeleidende nanodraden gemaakt van molybdeensilicide.
Het is duidelijk dat het ideale kwantumsysteem of de ideale technologie nog niet bestaat en dat de grote ontdekkingen van de toekomst nog moeten komen. Niettemin kan men proberen mogelijke kandidaten te identificeren in specifieke toepassingen van teleportatie. Geschikte hybridisatie hiervan, gegeven een compatibel raamwerk en methoden, zou de meest veelbelovende toekomst kunnen bieden voor kwantumteleportatie en zijn toepassingen.
Korte afstanden
Teleportatie over korte afstanden (tot 1 m) als een subsysteem voor kwantumcomputers is veelbelovend voor halfgeleiderapparaten, waarvan het QED-schema het beste is. Met name supergeleidende transmon-qubits kunnen deterministische en zeer nauwkeurige teleportatie op de chip garanderen. Ze maken ook re altime directe feed mogelijk, wat:ziet er problematisch uit op fotonische chips. Bovendien bieden ze een meer schaalbare architectuur en een betere integratie van bestaande technologieën in vergelijking met eerdere benaderingen zoals ingesloten ionen. Op dit moment lijkt het enige nadeel van deze systemen hun beperkte coherentietijd (<100 µs) te zijn. Dit probleem kan worden opgelost door het QED-circuit te integreren met halfgeleider-spin-ensemble-geheugencellen (met door stikstof gesubstitueerde vacatures of met zeldzame aarde gedoteerde kristallen), die een lange coherentietijd kunnen bieden voor de opslag van kwantumgegevens. Deze implementatie is momenteel het onderwerp van veel inspanning van de wetenschappelijke gemeenschap.
Stadscommunicatie
Teleportatiecommunicatie op stadsschaal (meerdere kilometers) zou kunnen worden ontwikkeld met behulp van optische modi. Met voldoende lage verliezen bieden deze systemen hoge snelheden en bandbreedte. Ze kunnen worden uitgebreid van desktopimplementaties tot middelgrote systemen die via de ether of glasvezel werken, met mogelijke integratie met ensemble-kwantumgeheugen. Langere afstanden maar lagere snelheden kunnen worden bereikt met een hybride benadering of door goede repeaters te ontwikkelen op basis van niet-Gaussiaanse processen.
Communicatie op afstand
Kwantumteleportatie over lange afstand (meer dan 100 km) is een actief gebied, maar heeft nog steeds een open probleem. Polarisatie qubits -de beste dragers voor teleportatie met lage snelheid over lange glasvezelverbindingen en via de ether, maar het protocol is momenteel waarschijnlijk vanwege onvolledige Bell-detectie.
Hoewel probabilistische teleportatie en verstrengeling acceptabel zijn voor problemen zoals verstrengelingsdestillatie en kwantumcryptografie, is dit duidelijk anders dan communicatie, waarbij de invoer volledig moet worden bewaard.
Als we deze probabilistische aard accepteren, dan liggen satellietimplementaties binnen het bereik van moderne technologie. Naast de integratie van volgmethoden is het grootste probleem de hoge verliezen door bundelspreiding. Dit kan worden overwonnen in een configuratie waarin verstrengeling wordt verspreid van de satelliet naar telescopen met een grote opening op de grond. Uitgaande van een satellietopening van 20 cm op 600 km hoogte en een telescoopopening van 1 m op de grond, kan ongeveer 75 dB downlinkverlies worden verwacht, wat minder is dan het verlies van 80 dB op grondniveau. Grond-naar-satelliet of satelliet-naar-satelliet implementaties zijn complexer.
Kwantumgeheugen
Het toekomstige gebruik van teleportatie als onderdeel van een schaalbaar netwerk hangt rechtstreeks af van de integratie met kwantumgeheugen. Deze laatste zou een uitstekende straling-naar-materie-interface moeten hebben in termen van conversie-efficiëntie, opname- en uitleesnauwkeurigheid, opslagtijd en bandbreedte, hoge snelheid en opslagcapaciteit. EersteDit zal op zijn beurt het gebruik van relais mogelijk maken om de communicatie verder uit te breiden dan directe verzending met behulp van foutcorrectiecodes. De ontwikkeling van een goed kwantumgeheugen zou het niet alleen mogelijk maken om verstrengeling over het netwerk en teleportatiecommunicatie te verdelen, maar ook om de opgeslagen informatie op een coherente manier te verwerken. Uiteindelijk kan dit het netwerk veranderen in een wereldwijd gedistribueerde kwantumcomputer of de basis voor een toekomstig kwantuminternet.
Belovende ontwikkelingen
Atomaire ensembles worden van oudsher als aantrekkelijk beschouwd vanwege hun efficiënte licht-naar-materie-conversie en hun levensduur in milliseconden, die kan oplopen tot 100 ms die nodig is om licht op wereldschaal door te geven. Er worden tegenwoordig echter meer veelbelovende ontwikkelingen verwacht op basis van halfgeleidersystemen, waar uitstekend spin-ensemble kwantumgeheugen direct is geïntegreerd met de schaalbare QED-circuitarchitectuur. Dit geheugen kan niet alleen de coherentietijd van het QED-circuit verlengen, maar ook een optische microgolfinterface bieden voor de onderlinge omzetting van optische telecom- en chipmicrogolffotonen.
De toekomstige ontdekkingen van wetenschappers op het gebied van kwantuminternet zullen dus waarschijnlijk gebaseerd zijn op optische communicatie over lange afstand in combinatie met halfgeleiderknooppunten om kwantuminformatie te verwerken.
