تله پورت کوانتومی: اکتشافات بزرگ فیزیکدانان

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

تله پورت کوانتومی یکی از مهمترین پروتکل ها در اطلاعات کوانتومی است. بر اساس منبع فیزیکی درهم تنیدگی، به عنوان عنصر اصلی وظایف اطلاعاتی مختلف عمل می‌کند و جزء مهم فناوری‌های کوانتومی است و نقش کلیدی در توسعه بیشتر محاسبات کوانتومی، شبکه‌ها و ارتباطات دارد.

از علمی تخیلی تا کشف دانشمندان

بیش از دو دهه از کشف تله پورت کوانتومی می گذرد، که شاید یکی از جالب ترین و هیجان انگیزترین پیامدهای «عجیب بودن» مکانیک کوانتومی باشد. قبل از اینکه این اکتشافات بزرگ انجام شود، این ایده به قلمرو علمی تخیلی تعلق داشت. اولین بار در سال 1931 توسط چارلز اچ. فورت ابداع شد و از آن به بعد از اصطلاح "تلپورتاسیون" برای اشاره به فرآیندی استفاده می شود که طی آن اجسام و اشیا از مکانی به مکان دیگر بدون طی کردن فاصله بین آنها منتقل می شوند.

در سال 1993، مقاله ای منتشر شد که در آن پروتکل اطلاعات کوانتومی به نام"تلپورت کوانتومی"، که دارای چندین ویژگی ذکر شده در بالا بود. در آن، وضعیت ناشناخته یک سیستم فیزیکی اندازه‌گیری می‌شود و متعاقباً در یک مکان دور تولید می‌شود یا «دوباره مونتاژ می‌شود» (عناصر فیزیکی سیستم اصلی در محل انتقال باقی می‌مانند). این فرآیند به وسایل ارتباطی کلاسیک نیاز دارد و ارتباط FTL را مستثنی می کند. به منبع درهم تنیدگی نیاز دارد. در واقع، انتقال از راه دور را می توان به عنوان یک پروتکل اطلاعات کوانتومی دید که ماهیت درهم تنیدگی را به وضوح نشان می دهد: بدون حضور آن، چنین حالت انتقالی در چارچوب قوانینی که مکانیک کوانتومی را توصیف می کند، امکان پذیر نخواهد بود.

Teleportation نقش فعالی در توسعه علم اطلاعات دارد. از یک طرف یک پروتکل مفهومی است که نقش تعیین کننده ای در توسعه نظریه اطلاعات کوانتومی رسمی ایفا می کند و از طرف دیگر جزء اساسی بسیاری از فناوری ها است. تکرارکننده کوانتومی عنصر کلیدی ارتباط در فواصل طولانی است. از راه دور سوئیچ کوانتومی، محاسبات مبتنی بر ابعاد و شبکه های کوانتومی همه مشتقات آن هستند. همچنین به عنوان یک ابزار ساده برای مطالعه فیزیک "افراطی" در مورد منحنی های زمان و تبخیر سیاهچاله استفاده می شود.

امروزه، انتقال از راه دور کوانتومی در آزمایشگاه‌های سراسر جهان با استفاده از بسترها و فناوری‌های مختلف، از جمله کیوبیت‌های فوتونی، تشدید مغناطیسی هسته‌ای، حالت‌های نوری، گروه‌های اتم، اتم‌های به دام افتاده وسیستم های نیمه هادی نتایج برجسته ای در زمینه برد انتقال از راه دور به دست آمده است، آزمایش هایی با ماهواره ها در راه است. به‌علاوه، تلاش‌هایی برای ارتقای سیستم‌های پیچیده‌تر آغاز شده است.

انتقال از راه دور کیوبیتها

تله پورت کوانتومی برای اولین بار برای سیستم های دو سطحی، به اصطلاح کیوبیت ها، توصیف شد. این پروتکل دو طرف دور به نام‌های آلیس و باب را در نظر می‌گیرد که 2 کیوبیت A و B را به اشتراک می‌گذارند، در یک حالت درهم‌تنیده خالص که جفت بل نیز نامیده می‌شود. در ورودی به آلیس یک کیوبیت a دیگر داده می شود که حالت ρ ناشناخته است. سپس یک اندازه گیری کوانتومی مشترک به نام تشخیص زنگ انجام می دهد. a و A به یکی از چهار حالت بل می رسد. در نتیجه، وضعیت کیوبیت ورودی آلیس در طول اندازه‌گیری ناپدید می‌شود و کیوبیت B باب به طور همزمان روی Р^†_kρP پیش بینی می شود. k. در آخرین مرحله از پروتکل، آلیس نتیجه کلاسیک اندازه گیری خود را برای باب می فرستد، او از عملگر Pauli P_k برای بازیابی ρ اصلی استفاده می کند.

وضعیت اولیه کیوبیت آلیس ناشناخته در نظر گرفته می شود، زیرا در غیر این صورت پروتکل به اندازه گیری از راه دور کاهش می یابد. از طرف دیگر، ممکن است خود بخشی از یک سیستم ترکیبی بزرگتر باشد که با شخص ثالث به اشتراک گذاشته شده است (در این صورت، انتقال موفقیت آمیز از راه دور مستلزم بازتولید همه همبستگی ها با آن شخص ثالث است).

یک آزمایش معمولی انتقال از راه دور کوانتومی حالت اولیه را خالص و متعلق به یک الفبای محدود فرض می کند.برای مثال، شش قطب کره بلوخ. در حضور ناپیوستگی، کیفیت حالت بازسازی شده را می توان با دقت انتقال از راه دور F ∈ [0، 1] تعیین کرد. این دقت بین حالات آلیس و باب است که در تمام نتایج تشخیص زنگ و الفبای اصلی به طور میانگین محاسبه شده است. در مقادیر دقت پایین، روش‌هایی وجود دارند که امکان انتقال ناقص از راه دور را بدون استفاده از یک منبع مبهم فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، آلیس می تواند به طور مستقیم وضعیت اولیه خود را با ارسال نتایج به باب اندازه گیری کند تا حالت حاصل را آماده کند. این استراتژی اندازه گیری-آماده سازی «تلپورت کلاسیک» نامیده می شود. دارای حداکثر دقت F_class=2/3 برای یک حالت ورودی دلخواه، که معادل الفبای حالت های متقابل بی طرفانه است، مانند شش قطب یک کره بلوخ..

بنابراین، نشانه واضح استفاده از منابع کوانتومی مقدار دقت F> F_class است.

نه یک کیوبیت

طبق فیزیک کوانتومی، انتقال از راه دور به کیوبیت ها محدود نمی شود، می تواند شامل سیستم های چند بعدی نیز باشد. برای هر بعد محدود d، می‌توان یک طرح دوربری ایده‌آل را با استفاده از بردارهای حالت حداکثر درهم تنیده، که می‌توان از یک حالت حداکثر درهم‌تنیده معین و مبنای {U_k} به دست آورد، فرموله کرد. عملگرهای واحدی که tr را برآورده می‌کنند (U ^†_j U_k)=dδ_{j, k} . چنین پروتکلی را می توان برای هر هیلبرت با ابعاد محدود ساختفضاهای به اصطلاح. سیستم های متغیر گسسته.

علاوه بر این، تله‌پورت کوانتومی می‌تواند به سیستم‌هایی با فضای هیلبرت بی‌بعدی که سیستم‌های متغیر پیوسته نامیده می‌شوند نیز گسترش یابد. به عنوان یک قاعده، آنها توسط حالت های بوزونی نوری، که میدان الکتریکی آن را می توان توسط عملگرهای مربعی توصیف کرد، تحقق می یابد.

اصل سرعت و عدم قطعیت

سرعت تله پورت کوانتومی چقدر است؟ اطلاعات با سرعتی مشابه با همان میزان انتقال کلاسیک - شاید با سرعت نور - منتقل می شود. از لحاظ نظری، می‌توان از آن به روش‌هایی استفاده کرد که روش کلاسیک نمی‌تواند استفاده شود - برای مثال، در محاسبات کوانتومی، که در آن داده‌ها فقط در دسترس گیرنده هستند.

آیا تله پورت کوانتومی اصل عدم قطعیت را نقض می کند؟ در گذشته، ایده انتقال از راه دور توسط دانشمندان چندان جدی گرفته نمی شد، زیرا تصور می شد این اصل را نقض می کند که هر فرآیند اندازه گیری یا اسکن تمام اطلاعات یک اتم یا جسم دیگر را استخراج نمی کند. بر اساس اصل عدم قطعیت، هرچه یک شی با دقت بیشتری اسکن شود، بیشتر تحت تأثیر فرآیند اسکن قرار می گیرد، تا زمانی که به نقطه ای می رسد که وضعیت اصلی جسم به حدی نقض می شود که دیگر امکان دستیابی به آن وجود ندارد. اطلاعات کافی برای ایجاد یک کپی دقیق این قانع کننده به نظر می رسد: اگر شخصی نتواند اطلاعاتی را از یک شی استخراج کند تا یک کپی کامل ایجاد کند، آخرین مورد را نمی توان ساخت.

انتقال از راه دور کوانتومی برای آدمک ها

اما شش دانشمند (چارلز بنت، ژیل براسارد، کلود کرپو، ریچارد جوزا، آشر پرز و ویلیام وترز) با استفاده از ویژگی معروف و متناقض مکانیک کوانتومی معروف به انیشتین-پودولسکی، راهی برای دور زدن این منطق پیدا کردند. اثر روزن. آنها راهی برای اسکن بخشی از اطلاعات شیء تله پورت شده A پیدا کردند و بقیه قسمت تایید نشده را از طریق افکت ذکر شده به شی دیگری C که هرگز با A در تماس نبوده است، انتقال دادند.

بعلاوه، با اعمال تأثیر بر C که به اطلاعات اسکن شده بستگی دارد، می توانید C را قبل از اسکن در حالت A قرار دهید. خود A دیگر در همان حالت نیست، زیرا با فرآیند اسکن کاملاً تغییر کرده است، بنابراین آنچه به دست آمده است انتقال از راه دور است، نه تکرار.

مبارزه برای محدوده

• نخستین انتقال از راه دور کوانتومی در سال ۱۹۹۷ تقریباً به طور همزمان توسط دانشمندان دانشگاه اینسبروک و دانشگاه رم انجام شد. در طی آزمایش، فوتون اصلی که دارای قطبش است و یکی از جفت فوتون های درهم تنیده به گونه ای تغییر کردند که فوتون دوم قطبش فوتون اولیه را دریافت کرد. در این مورد، هر دو فوتون از یکدیگر فاصله داشتند.
• در سال 2012 یک تله پورت کوانتومی دیگر (چین، دانشگاه علم و صنعت) از طریق یک دریاچه کوهستانی در فاصله 97 کیلومتری انجام شد. تیمی از دانشمندان شانگهای به رهبری هوانگ یین موفق شدند مکانیزمی را توسعه دهند که هدف گیری دقیق پرتو را ممکن می کند.
• در سپتامبر همان سال، رکورد تله‌پورت کوانتومی ۱۴۳ کیلومتری انجام شد. دانشمندان اتریشی از آکادمی علوم اتریش و دانشگاهوین به رهبری آنتون زایلینگر با موفقیت حالت های کوانتومی را بین دو جزیره قناری لا پالما و تنریف منتقل کرد. در این آزمایش از دو خط ارتباطی نوری در فضای باز، کوانتومی و کلاسیک، قطبش نامرتبط فرکانس جفت فوتون منبع درهم‌تنیده، آشکارسازهای تک فوتونی با نویز بسیار کم و همگام‌سازی ساعت جفت شده استفاده شد.
• در سال 2015، محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده برای اولین بار اطلاعات را در فاصله بیش از 100 کیلومتر از طریق فیبر نوری مخابره کردند. این به لطف آشکارسازهای تک فوتون ایجاد شده در این موسسه، با استفاده از نانوسیم های ابررسانا ساخته شده از سیلیسید مولیبدن امکان پذیر شد.

واضح است که سیستم یا فناوری کوانتومی ایده آل هنوز وجود ندارد و اکتشافات بزرگ آینده هنوز در راه است. با این وجود، می توان تلاش کرد تا نامزدهای احتمالی را در برنامه های خاص حمل و نقل از راه دور شناسایی کند. هیبریداسیون مناسب اینها، با توجه به چارچوب و روش‌های سازگار، می‌تواند امیدوارکننده‌ترین آینده را برای تله‌پورت کوانتومی و کاربردهای آن فراهم کند.

مسافتهای کوتاه

انتقال از راه دور در فواصل کوتاه (تا ۱ متر) به عنوان یک زیرسیستم محاسباتی کوانتومی برای دستگاه های نیمه هادی امیدوارکننده است، که بهترین آن طرح QED است. به‌ویژه، کیوبیت‌های ترانسمون ابررسانا می‌توانند انتقال از راه دور روی تراشه قطعی و با دقت بالا را تضمین کنند. آنها همچنین به خوراک مستقیم بلادرنگ اجازه می دهند کهدر تراشه های فوتونیک مشکل ساز به نظر می رسد. علاوه بر این، آنها معماری مقیاس پذیرتر و ادغام بهتر فناوری های موجود را در مقایسه با رویکردهای قبلی مانند یون های به دام افتاده ارائه می دهند. در حال حاضر تنها اشکال این سیستم ها زمان انسجام محدود آنها (<100 میکروثانیه) به نظر می رسد. این مشکل را می توان با ادغام مدار QED با سلول های حافظه نیمه هادی اسپین مجموعه (با جاهای خالی جایگزین نیتروژن یا کریستال های خاکی کمیاب) حل کرد که می تواند زمان انسجام طولانی را برای ذخیره سازی داده های کوانتومی فراهم کند. این پیاده سازی در حال حاضر موضوع تلاش زیادی از سوی جامعه علمی است.

ارتباط شهری

ارتباطات از راه دور در مقیاس شهر (چند کیلومتر) را می توان با استفاده از حالت های نوری توسعه داد. با تلفات به اندازه کافی کم، این سیستم ها سرعت و پهنای باند بالایی را ارائه می دهند. آنها را می توان از پیاده سازی دسکتاپ به سیستم های برد متوسط که از طریق هوا یا فیبر کار می کنند، با ادغام احتمالی با حافظه کوانتومی مجموعه گسترش داد. مسافت های طولانی تر اما سرعت های کمتر را می توان با رویکرد ترکیبی یا با توسعه تکرار کننده های خوب بر اساس فرآیندهای غیر گاوسی به دست آورد.

ارتباط از راه دور

تله‌پورت کوانتومی از راه دور (بیش از 100 کیلومتر) یک منطقه فعال است، اما همچنان از یک مشکل باز رنج می‌برد. کیوبیت های قطبش -بهترین حامل ها برای انتقال از راه دور با سرعت کم از طریق پیوندهای فیبر طولانی و از طریق هوا، اما پروتکل در حال حاضر به دلیل تشخیص ناقص بل احتمالی است.

در حالی که انتقال احتمالی از راه دور و درهم تنیدگی برای مشکلاتی مانند تقطیر درهم تنیدگی و رمزنگاری کوانتومی قابل قبول است، این به وضوح با ارتباطی که در آن ورودی باید کاملاً حفظ شود متفاوت است.

اگر این ماهیت احتمالی را بپذیریم، پیاده سازی های ماهواره ای در دسترس فناوری مدرن هستند. علاوه بر ادغام روش های ردیابی، مشکل اصلی تلفات زیاد ناشی از گسترش تیر است. این را می توان در پیکربندی که درهم تنیدگی از ماهواره به تلسکوپ های زمینی با دیافراگم بزرگ توزیع می شود غلبه کرد. با فرض دیافراگم 20 سانتی متری ماهواره در ارتفاع 600 کیلومتری و دیافراگم تلسکوپ 1 متری روی زمین، حدود 75 دسی بل افت لینک پایین را می توان انتظار داشت که کمتر از تلفات 80 دسی بل در سطح زمین است. پیاده سازی زمین به ماهواره یا ماهواره به ماهواره پیچیده تر است.

حافظه کوانتومی

استفاده آینده از تله پورت به عنوان بخشی از یک شبکه مقیاس پذیر به طور مستقیم به ادغام آن با حافظه کوانتومی بستگی دارد. دومی باید یک رابط پرتو به ماده عالی از نظر بازده تبدیل، دقت ضبط و خواندن، زمان و پهنای باند ذخیره سازی، سرعت بالا و ظرفیت ذخیره سازی داشته باشد. اولینبه نوبه خود، این به استفاده از رله اجازه می دهد تا ارتباطات را بسیار فراتر از انتقال مستقیم با استفاده از کدهای تصحیح خطا گسترش دهد. توسعه یک حافظه کوانتومی خوب نه تنها به توزیع درهم تنیدگی در شبکه و ارتباطات دوربری اجازه می دهد، بلکه به پردازش اطلاعات ذخیره شده به شیوه ای منسجم نیز می دهد. در نهایت، این می تواند شبکه را به یک کامپیوتر کوانتومی توزیع شده در سطح جهانی یا مبنایی برای اینترنت کوانتومی آینده تبدیل کند.

تحولات امیدوارکننده

مجموعه‌های اتمی به طور سنتی به دلیل تبدیل کارآمد نور به ماده و طول عمر میلی‌ثانیه‌ای که می‌تواند به ۱۰۰ میلی‌ثانیه لازم برای انتقال نور در مقیاس جهانی برسد، جذاب در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، امروز پیشرفت‌های امیدوارکننده‌تری بر اساس سیستم‌های نیمه‌رسانا انتظار می‌رود، جایی که حافظه کوانتومی مجموعه اسپین عالی مستقیماً با معماری مدار QED مقیاس‌پذیر ادغام می‌شود. این حافظه نه تنها می تواند زمان انسجام مدار QED را افزایش دهد، بلکه یک رابط نوری-مایکروویو برای تبدیل فوتون های مایکروویو نوری-تلکام و تراشه فراهم می کند.

بنابراین، اکتشافات آینده دانشمندان در زمینه اینترنت کوانتومی احتمالاً مبتنی بر ارتباطات نوری دوربرد همراه با گره های نیمه هادی برای پردازش اطلاعات کوانتومی است.