La teletransportació quàntica és un dels protocols més importants de la informació quàntica. Basat en el recurs físic de l'entrellat, serveix com a element principal de diverses tasques d'informació i és un component important de les tecnologies quàntiques, que té un paper clau en el desenvolupament posterior de la informàtica quàntica, les xarxes i la comunicació.
De la ciència-ficció al descobriment dels científics
Han passat més de dues dècades des del descobriment de la teletransportació quàntica, que potser és una de les conseqüències més interessants i emocionants de la "estranyesa" de la mecànica quàntica. Abans que es fessin aquests grans descobriments, aquesta idea pertanyia a l'àmbit de la ciència-ficció. Encunyat per primera vegada l'any 1931 per Charles H. Fort, el terme "teletransportació" s'ha utilitzat des de llavors per referir-se al procés pel qual els cossos i els objectes es transfereixen d'un lloc a un altre sense recórrer la distància entre ells.
L'any 1993 es va publicar un article que descrivia el protocol d'informació quàntica, anomenat"teletransportació quàntica", que compartia diverses de les característiques esmentades anteriorment. En ell, l'estat desconegut d'un sistema físic es mesura i posteriorment es reprodueix o "remunta" en una ubicació remota (els elements físics del sistema original romanen al lloc de transmissió). Aquest procés requereix mitjans de comunicació clàssics i exclou la comunicació FTL. Necessita un recurs d'enredament. De fet, la teletransportació es pot veure com un protocol d'informació quàntica que demostra més clarament la naturalesa de l'entrellat: sense la seva presència, aquest estat de transmissió no seria possible en el marc de les lleis que descriuen la mecànica quàntica.
La teletransportació té un paper actiu en el desenvolupament de la ciència de la informació. D'una banda, és un protocol conceptual que juga un paper decisiu en el desenvolupament de la teoria quàntica formal de la informació i, de l' altra, és un component fonamental de moltes tecnologies. El repetidor quàntic és un element clau de la comunicació a llargues distàncies. La teletransportació de commutadors quàntics, la informàtica basada en la dimensió i les xarxes quàntiques en són derivades. També s'utilitza com a eina senzilla per estudiar la física "extrema" pel que fa a les corbes de temps i l'evaporació del forat negre.
Avui, la teletransportació quàntica s'ha confirmat en laboratoris d'arreu del món utilitzant molts substrats i tecnologies diferents, com ara qubits fotònics, ressonància magnètica nuclear, modes òptics, grups d'àtoms, àtoms atrapats isistemes de semiconductors. S'han aconseguit resultats destacats en el camp de la teletransportació, s'acosten experiments amb satèl·lits. A més, s'han començat els intents d'escalar a sistemes més complexos.
Teletransportació de qubits
La teletransportació quàntica es va descriure per primera vegada per a sistemes de dos nivells, els anomenats qubits. El protocol considera dues parts distants, anomenades Alice i Bob, que comparteixen 2 qubits, A i B, en un estat d'entrellat pur, també anomenat parell de Bell. A l'entrada, l'Alice rep un altre qubit a, l'estat ρ del qual és desconegut. A continuació, realitza una mesura quàntica conjunta anomenada detecció de Bell. Es porta a i A a un dels quatre estats de Bell. Com a resultat, l'estat del qubit d'entrada d'Alice desapareix durant la mesura i el qubit B de Bob es projecta simultàniament a Р†kρP k. A l'última etapa del protocol, l'Alice envia el resultat clàssic de la seva mesura a Bob, que utilitza l'operador Pauli Pk per restaurar el ρ. original.
L'estat inicial del qubit d'Alice es considera desconegut, perquè en cas contrari el protocol es redueix a la seva mesura remota. Alternativament, pot formar part d'un sistema compost més gran compartit amb un tercer (en aquest cas, la teletransportació correcta requereix reproduir totes les correlacions amb aquest tercer).
Un experiment típic de teletransportació quàntica suposa que l'estat inicial és pur i pertany a un alfabet limitat,per exemple, els sis pols de l'esfera de Bloch. En presència de decoherència, la qualitat de l'estat reconstruït es pot quantificar mitjançant la precisió de teletransportació F ∈ [0, 1]. Aquesta és la precisió entre els estats d'Alice i Bob, mitjana de tots els resultats de detecció de Bell i l'alfabet original. A valors de precisió baixos, hi ha mètodes que permeten la teletransportació imperfecta sense utilitzar un recurs ofuscat. Per exemple, l'Alice pot mesurar directament el seu estat inicial enviant els resultats a Bob per preparar l'estat resultant. Aquesta estratègia de preparació de mesures s'anomena "teletransportació clàssica". Té una precisió màxima de Fclass=2/3 per a un estat d'entrada arbitrari, que és equivalent a un alfabet d'estats mútuament imparcials, com els sis pols d'una esfera de Bloch.
Per tant, una indicació clara de l'ús dels recursos quàntics és el valor de precisió F> Fclass.
Ni un sol qubit
Segons la física quàntica, la teletransportació no es limita als qubits, sinó que pot incloure sistemes multidimensionals. Per a cada dimensió finita d, es pot formular un esquema de teletransportació ideal utilitzant una base de vectors d'estat màxim entrellaçats, que es poden obtenir a partir d'un estat màxim entrellaçat donat i una base {Uk} de operadors unitaris que satisfan tr(U †j Uk)=dδj, k . Aquest protocol es pot construir per a qualsevol Hilbert de dimensions finitesespais dels anomenats. sistemes de variables discretes.
A més, la teletransportació quàntica també es pot estendre a sistemes amb un espai de Hilbert de dimensions infinites, anomenats sistemes de variable contínua. Per regla general, es realitzen mitjançant modes bosònics òptics, el camp elèctric dels quals pot ser descrit per operadors de quadratura.
Principi de velocitat i incertesa
Quina és la velocitat de la teletransportació quàntica? La informació es transmet a una velocitat similar a la de la mateixa quantitat de transmissió clàssica, potser a la velocitat de la llum. Teòricament, es pot utilitzar d'una manera que la clàssica no, per exemple, en la informàtica quàntica, on les dades només estan disponibles per al destinatari.
La teletransportació quàntica viola el principi d'incertesa? En el passat, la idea de la teletransportació no es va prendre molt seriosament pels científics perquè es pensava que violava el principi que qualsevol procés de mesura o escaneig no extreia tota la informació d'un àtom o un altre objecte. Segons el principi d'incertesa, com més precisió s'escaneja un objecte, més es veu afectat pel procés d'escaneig, fins que s'arriba a un punt on l'estat original de l'objecte es viola de tal manera que ja no és possible obtenir informació suficient per crear una còpia exacta. Això sembla convincent: si una persona no pot extreure informació d'un objecte per crear una còpia perfecta, no es pot fer l'última.
Teletransportació quàntica per a maniquís
Però sis científics (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez i William Wuthers) van trobar una manera d'evitar aquesta lògica utilitzant la famosa i paradoxal característica de la mecànica quàntica coneguda com a Einstein-Podolsky- Efecte Rosen. Van trobar una manera d'escanejar part de la informació de l'objecte teletransportat A i transferir la resta de la part no verificada a través de l'efecte esmentat a un altre objecte C, que mai ha estat en contacte amb A.
A més, aplicant a C una influència que depèn de la informació escanejada, podeu posar C a l'estat A abans d'escanejar. A ja no es troba en el mateix estat, ja que s'ha canviat completament pel procés d'escaneig, de manera que el que s'ha aconseguit és la teletransportació, no la replicació.
Lluita pel rang
- La primera teletransportació quàntica es va dur a terme l'any 1997 gairebé simultàniament per científics de la Universitat d'Innsbruck i la Universitat de Roma. Durant l'experiment, el fotó original, que té una polarització, i un dels parells de fotons entrellaçats, es van canviar de tal manera que el segon fotó va rebre la polarització de l'original. En aquest cas, tots dos fotons estaven a una distància l'un de l' altre.
- L'any 2012 va tenir lloc una altra teletransportació quàntica (Xina, Universitat de Ciència i Tecnologia) a través d'un llac d' alta muntanya a una distància de 97 km. Un equip de científics de Xangai, dirigit per Huang Yin, va aconseguir desenvolupar un mecanisme d'homing que va permetre orientar el feix amb precisió.
- Al setembre del mateix any es va dur a terme una teletransportació quàntica rècord de 143 km. Científics austríacs de l'Acadèmia de Ciències d'Àustria i de la UniversitatViena, dirigida per Anton Zeilinger, va transferir amb èxit estats quàntics entre les dues illes Canàries de La Palma i Tenerife. L'experiment va utilitzar dues línies de comunicació òptica a l'espai obert, quàntica i clàssica, un parell de fotons font entrellaçat amb polarització no correlacionada de freqüència, detectors d'un sol fotó de soroll ultra baix i sincronització de rellotge acoblada.
- El 2015, els investigadors de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia dels EUA van transmetre per primera vegada informació a una distància de més de 100 km mitjançant fibra òptica. Això va ser possible gràcies als detectors d'un sol fotó creats a l'institut, amb nanofills superconductors fets de siliciur de molibdè.
És evident que el sistema o tecnologia quàntica ideal encara no existeix i els grans descobriments del futur encara estan per arribar. No obstant això, es pot intentar identificar possibles candidats en aplicacions específiques de teletransportació. La hibridació adequada d'aquests, donat un marc i mètodes compatibles, podria proporcionar el futur més prometedor per a la teletransportació quàntica i les seves aplicacions.
Distàncies curtes
La teletransportació a distàncies curtes (fins a 1 m) com a subsistema de computació quàntica és prometedora per als dispositius semiconductors, el millor dels quals és l'esquema QED. En particular, els qubits transconductors superconductors poden garantir una teletransportació en xip determinista i d' alta precisió. També permeten l'alimentació directa en temps real, quesembla problemàtic als xips fotònics. A més, proporcionen una arquitectura més escalable i una millor integració de les tecnologies existents en comparació amb enfocaments anteriors com els ions atrapats. Actualment, l'únic inconvenient d'aquests sistemes sembla ser el seu temps de coherència limitat (<100 µs). Aquest problema es pot resoldre integrant el circuit QED amb cèl·lules de memòria de conjunt de spin de semiconductors (amb vacants substituïdes amb nitrogen o cristalls dopats amb terres rares), que poden proporcionar un temps de coherència llarg per a l'emmagatzematge de dades quàntiques. Aquesta implementació és actualment objecte d'un gran esforç per part de la comunitat científica.
Comunicació de la ciutat
La comunicació de teletransportació a escala de ciutat (diversos quilòmetres) es podria desenvolupar mitjançant modes òptics. Amb pèrdues prou baixes, aquests sistemes proporcionen altes velocitats i amplada de banda. Es poden estendre des d'implementacions d'escriptori fins a sistemes de rang mitjà que operen per aire o fibra, amb possible integració amb la memòria quàntica de conjunt. Es poden aconseguir distàncies més llargues però velocitats més baixes amb un enfocament híbrid o desenvolupant bons repetidors basats en processos no gaussians.
Comunicació de llarga distància
La teletransportació quàntica de llarga distància (més de 100 km) és una àrea activa, però encara pateix un problema obert. Qubits de polarització -els millors transportistes per a la teletransportació a baixa velocitat per enllaços llargs de fibra i per aire, però actualment el protocol és probabilístic a causa d'una detecció incompleta de Bell.
Si bé la teletransportació probabilística i els enredaments són acceptables per a problemes com la destil·lació d'entrellaçament i la criptografia quàntica, això és clarament diferent de la comunicació, en què l'entrada s'ha de preservar completament.
Si acceptem aquesta naturalesa probabilística, les implementacions de satèl·lit estan a l'abast de la tecnologia moderna. A més de la integració de mètodes de seguiment, el principal problema són les grans pèrdues causades per la propagació del feix. Això es pot superar en una configuració on l'entrellat es distribueix des del satèl·lit als telescopis terrestres de gran obertura. Suposant una obertura de satèl·lit de 20 cm a 600 km d' altitud i una obertura del telescopi d'1 m a terra, es poden esperar uns 75 dB de pèrdua d'enllaç descendent, que és menys que la pèrdua de 80 dB a nivell del sòl. Les implementacions de terra a satèl·lit o de satèl·lit a satèl·lit són més complexes.
Memòria quàntica
L'ús futur de la teletransportació com a part d'una xarxa escalable depèn directament de la seva integració amb la memòria quàntica. Aquest últim hauria de tenir una excel·lent interfície de radiació a la matèria en termes d'eficiència de conversió, precisió d'enregistrament i lectura, temps d'emmagatzematge i amplada de banda, alta velocitat i capacitat d'emmagatzematge. PrimerAl seu torn, això permetrà l'ús de relés per estendre la comunicació molt més enllà de la transmissió directa mitjançant codis de correcció d'errors. El desenvolupament d'una bona memòria quàntica permetria no només distribuir l'entrellat per la xarxa i la comunicació de teletransportació, sinó també processar la informació emmagatzemada de manera coherent. En última instància, això podria convertir la xarxa en un ordinador quàntic distribuït globalment o la base per a una futura Internet quàntica.
Desenvolupaments prometedors
Els conjunts atòmics s'han considerat tradicionalment atractius a causa de la seva eficaç conversió de llum a matèria i de les seves vides de mil·lisegons, que poden arribar als 100 ms necessaris per transmetre la llum a escala global. Tanmateix, avui s'esperen desenvolupaments més prometedors basats en sistemes de semiconductors, on una excel·lent memòria quàntica de conjunt de spins s'integra directament amb l'arquitectura de circuits escalable QED. Aquesta memòria no només pot allargar el temps de coherència del circuit QED, sinó que també pot proporcionar una interfície òptica de microones per a la interconversió de fotons de microones de telecomunicacions òptiques i xip.
Per tant, és probable que els futurs descobriments dels científics en el camp de la Internet quàntica es basen en una comunicació òptica de llarg abast juntament amb nodes semiconductors per processar informació quàntica.
