Telebista kuantikoa: fisikarien aurkikuntza handiak

Quantum teleportation informazio kuantikoaren protokolo garrantzitsuenetako bat da. Enlazamenduaren baliabide fisikoan oinarrituta, hainbat informazio-zereginetarako elementu nagusia da eta teknologia kuantikoen zati garrantzitsu bat da, informatika kuantikoa, sareak eta komunikazioen garapenean funtsezkoa dena.

Zientzia fikzioari zientzialarien aurkikuntzara

Duela bi hamarkada baino gehiago izan zen teleskopio kuantikoaren aurkikuntza, agian, mekanika kuantikoaren "zorrotasuna" denaren ondorio interesgarri eta zirraragarrienetako bat. Aurkikuntza handiak egin aurretik, ideia hori zientzia fikzioaren alorrean zegoen. Charles H. Fort-ek asmatu zuen 1931. urtean, "teledetekzioa" terminoa erabili zenetik, gorputz eta objektuak leku batetik bestera lekualdatzen diren prozesuari erreferentzia egiteko erabiltzen da. Izan ere, haien arteko distantzia gainditu gabe.

1993an, artikulu bat argitaratu zen informazio kuantikoaren protokoloa, "teledetekzio kuantikoa" izenekoa. Horrela, sistema fisikoaren egoera ezezaguna neurtzen da eta, ondoren, erreproduzitu edo "berregokitu" urruneko kokalekuan (jatorrizko sistemaren elementu fisikoak transmisio gunean geratzen dira). Prozesu honek komunikazio bide klasikoak eskatzen ditu eta komunikazio superluminalak kanpo uzten ditu. Enlazamendu baliabide bat eskatzen du. Izan ere, teledetekzioa informazio kuantikoaren protokolo gisa kontsideratu daiteke, eta horrek argi eta garbi erakusten du entanglementaren izaera: bere presentzia gabe, transmisio egoera hori ez litzateke posible izango mekanika kuantikoa deskribatzen duten legeen barruan.

Teleportationek informazio zientzien garapenean aktiboki jokatzen du. Alde batetik, protokolo kontzeptuala da, informazio kuantikoaren teoria formalaren garapenean funtsezko zeregina betetzen duena eta, bestetik, teknologia askoren osagai nagusia. Errepikagailu kuantikoa distantzia luzeko komunikazio elementu gakoa da. Aldagai kuantikoen telebistazioa, neurketetan oinarritutako kalkuluak eta sare kuantikoak, guztiak eratorriak dira. Fisika "muturrekoa" ikasten duen tresna sinple gisa ere erabiltzen da, denbora-kurba eta zulo beltzak lurruntzeaz .

Gaur egun, telebista kuantikoa mundu osoko laborategietan baieztatzen da hainbat substratu eta teknologia desberdinen bidez, hala nola qubits fotonikoak, erresonantzia magnetiko nuklearra, modulu optikoak, atomoak, atomo harrapatuak eta erdieroale sistemak. Emaitza bikainak lortu dira teleportazio eremuan, sateliteen esperimentuak datoz. Gainera, saiakerak sistema konplexuagoei eusten hasi dira.

Qubits de telebista

Telebista kuantikoa bi maila-sistemetarako, qubits deiturikoak, lehen deskribatu zen. Protokoloak bi alditan parte hartzen ditu, Alizia eta Bob izenekoak, 2 qubits, A eta B partekatzen dituztenak, erabat nahasiriko egoera batean. Alice sarreran beste qubit bat ematen da, zeinaren egoera ρ ezezaguna baitzen. Ondoren, Bell-en aurkikuntza izeneko neurketa kuantiko bat egiten du. Bell bat egiten du eta A lau estatuetako batean. Ondorioz, Alice-ko sarrera kuadaren egoera desaktibatzen da neurketan zehar, eta Bob-en qubit aldi berean P ^† _k ρP _k aldera proiektatzen da. Protokoloaren azkeneko fasean, Alice bere Bob neurketaren emaitza klasikoa pasatzen du, Pauli operadorea Pk aplikatzen duena jatorrizko ρ berreskuratzeko.

Alice qubitaren hasierako egoera ezezaguna da, bestela, protokoloa urruneko neurketara murrizten da. Gainera, hirugarren batek partekatutako sistema konposatu handiago baten parte izan daiteke (kasu horretan telebista arrakastatsuak hirugarren honen korrelazio guztiak erreproduzitzea eskatzen du).

Teleskopio kuantikoaren inguruko esperimentu tipikoak jatorrizko egoera garbia eta alfabeto mugatua du, esate baterako, Bloch esferaren sei poloak. Deskonbentziaren aurrean, berreraikitako egoeraren kalitatea kuantitatiboki adieraz daiteke F ∈ [0, 1]. Hau Alice eta Bob estatuen zehaztasuna da, Bell-en detekzioaren eta jatorrizko alfabetoaren emaitza guztien batez bestekoa. Zehaztasunaren balore txikietarako, metodo batzuk daude baliabide korapilatsu bat erabili beharrik gabe. Esate baterako, Alice bere hasierako egoera zuzenean neurtzen du emaitzek Bob-i emaitzen egoera prestatzeko. Neurketa-prestakuntza estrategia hau "teledetección klasikoa" deritzo. Gehienezko zehaztasuna du F _klase = 2/3 sarrera-egoera arbitrario baterako, hau da, egoera mingarriak ez direnen alfabetoaren baliokidea, esaterako Bloch esfera bezalako sei poloak.

Horrela, baliabide kuantikoen erabileraren argi adierazpena F> F _klasearen zehaztasun balioa da.

Ez bakar baten qubit bat

Fisika kuantikoaren arabera , telebista ez dago qubitsetara mugatuta, sistema anitzeko dimentsioetan sartzeko. Neurketa finituen dimentsio bakoitzerako, teleportatzeko eskema ideal bat formulatu ahal izango dugu, gehienezko nahasitako egoera batetik lortzen den bektore nahasirik baxuena erabiliz eta tr (U ⁾ _j U _k ) = dδ _{j, k} . Protokolo horri edozein dei finkoko dimentsio dimentsioko Hilbert espazioa eraiki daiteke. Sistema diskretuen aldagaiak.

Horrez gain, telebista kuantikoak ere sistemen hedapen-dimentsio infinituarekin hedatu ahal ditzake sistemen etengabeko aldagaiak erabiliz. Arau orokor gisa, bosoi optiko moduei esker lortzen dira. Eremu elektrikoa quadrature operadoreek deskribatu dezakete.

Abiadura eta ziurgabetasunaren printzipioa

Zein da teleskopio kuantikoaren abiadura? Informazioa klasikoaren kopuru bereko transmisio-tasa antzeko abiaduran transmititzen da, beharbada argiaren abiaduran. Teorian, klasikoa ezin den modu batean erabil daiteke - adibidez, konputazio kuantikoan, non datuek hartzailearen esku dago soilik.

Telebista kuantikoak zalantzazko printzipioa urratzen du ? Antzina, telebistako ideia ez zen zientzialariek seriotzat hartu, uste baitzuten printzipioa urratzen zuen edozein atomo edo beste objektu baten informazioa ateratzeko edozein neurketa edo eskaneatze prozesua debekatzen zuela. Ziurtagiriaren printzipioaren arabera, zehatzago esanda eskaneatzen denez, eskaneatze prozesua areagotu egingo da, objektuaren jatorrizko egoera hautsita dagoenean puntu bat lortu arte ezin izango dela kopia zehatza sortzeko informazio nahikoa lortzen. Honek konbentzitzen du soinuak: pertsona batek ezin du objektuaren informazioa atera kopia ezin hobea sortzeko, eta ondoren ezin da egin.

Quantum teleportation for dummies

Baina sei zientzialariek (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crapo, Richard Josa, Asher Perez eta William Wuthers) logika honen inguruan aurkitu dute mekanika kuantikoaren ezaugarri ospetsua eta paradoxikoa, Einstein-Podolsky-Rosen efektu bezala ezagutzen dena. Teleportatutako objektuaren A informazioaren eta Begirunearen gainerako zatiak gainetik dagoen efektuaren bidez C bitarteko beste objektu batera transferitu ahal izateko modu bat aurkitu dute, A inoiz ez egon ezean.

Etorkizunean, eskaneatutako informazioaren arabera C eragina aplikatuz, C sakatu A eskaneatu aurretik. A bera ez da egoera horretan, eskaneatze-prozesuak guztiz aldatzen duen moduan, emaitza telebista da, ez erreplikazioa.

Borroka sorta

• Lehenengo teleskopio kuantikoa 1997an egin zen ia aldi berean, Innsbruckeko Unibertsitateko eta Erromako Unibertsitateko zientzialariek. Esperimentuan, fotoi jatorra polarizazioa eta fotoi lainoen pare bat jasan zituzten aldaketak bigarren fotoi bat jatorrizko fotoiaren polarizazioa jaso zuen moduan. Aldi berean, bi fotoi elkarrengandik urrun zeuden.
• 2012an, beste telebista kuantiko bat (Txina, Zientzia eta Teknologia Unibertsitatea) urruneko aintzira baten bidez egin zen 97 kilometroko distantziara. Shanghaiko zientzialari talde batek, Juan Yinek zuzendua, mekanismo iradokitzailea garatu zuen, beam zehaztasunez bideratzeko.
• Urte bereko irailean 143 kilometroko telebista kuantikoaren erregistroa egin zen. Austrian Zientzien Akademiako zientzialariek eta Vienako Unibertsitatekoak, Anton Zeilingerren gidaritzapean, Kanariar Uharteen eta Tenerife arteko bi estatu kuantikoak gainditu zituzten. Esperimentuak espazio irekiko bi komunikazio optikoko bi espazio irekiko espazio irekiko espazio irekian espazio irekian espazio irekiko espazio irekiko espazio irekian espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazio irekiko espazioan, maiztasun eta ez-korrelazio kuantiko eta klasikoko polarizazio-nahasitako iturri fotoi pare bat erabiltzen dira.
• 2015ean, Estatu Batuetako Estandar eta Teknologien Institutu Nazionaleko ikertzaileek 100 km baino gehiagoko informazioa transmititu dute zuntz bidez. Hau posible egin zen Institutuan sortutako fotoi-detektagailu bakunei esker, molibdeno-silikuko supereroaleen nukleoak erabiliz.

Argi dago sistema edo teknologia kuantiko aproposa ez dela oraindik existitzen eta etorkizuneko aurkikuntza handiak aurrera egiten. Hala ere, telebistako aplikazio espezifikoen hautagai posibleak identifikatu ahal izango dira. Hibridazio egokiarekin, oinarri eta metodo bateragarriek etorkizun itxaropentsua eman dezakete teleportu kuantikoari eta aplikazioei dagokienez.

Distantzia laburrak

Distantzia laburretarako telebista (gehienez 1 m) konputazio kuantikoaren azpisistema semiconductor gailuetan prometatzen ari da, hau da, QED eskema onena. Bereziki, transmonon qubits superkonduktoreak determinatzaile eta doitasun handiko teleportua bermatzen du txip batean. Zuzeneko elikadura ere ematen dute denbora errealean, zeinak xaflak fotoi txarrak direlako. Gainera, arkitektura eskalagarriagoa eta lehendik dauden teknologien integrazio hobea eskaintzen dute aurrez aurreko planteamenduekin alderatuta, esate baterako, ioi harrapatuak. Gaur egun, sistemen desabantaila bakarrak koherentzia denbora mugatua dirudi (<100 μs). Arazo hau konpondu daiteke QED eskema semiconductor spin-ensemble memoria zelulak (nitrogeno ordezkatutako lekuak edo lore arraroak dopatutako kristalak dituzten), koherentzia denbora luze bat eman ahal izateko datu kuantikoen biltegiratzeak. Gaur egun, komunitate zientifikoak ahalegin handia egiten du inplementazio hori.

Hiri komunikazioa

Telebistako komunikazioa hiriko eskalan (hainbat kilometro) modu optikoetan egin daitezke. Galera nahikoak direnez, sistema horiek abiadura handiak eta banda zabalera ematen dituzte. Mahaigaineko inplementazioetatik ertaineko sistemetara hedatzen dira, eter edo zuntz bidez funtzionatzen dutenak, konbinazio kuantikoaren memoriarekin batera. Distantzia luzeagoak, baina abiadura txikiagoetan, hurbilketa hibridoa erabiliz edo prozesu ez Gaussen oinarritutako errepikagailu onak garatuz lortu daiteke.

Urruneko komunikazioa

Distantzia luzeko teledetekzio kuantikoa (100 km baino gehiagokoa) eremu aktiboa da, baina arazo irekia izaten jarraitzen du. Polarizazioko kuboak dira abiadura baxuko teleportua eroale onenak zuntz optikoko komunikazio lerro luzeetan eta airean zehar, baina oraingoz protokoloa probabilistikoa da, Bell-ek hautatutako osagaiengatik.

Telebista probabilistikoak eta loturak onargarriak dira, hala nola, entanglementaren distilazioa eta kriptografia kuantikoa bezalako zereginetan, argi dago komunikazioari buruzko informazioa oso modu ezberdinean mantendu behar dela.

Probabilitate karaktere hau hartzen badugu, sateliteen inplementazioak teknologia modernoaren eskura daude. Jarraipen metodoen integrazioaz gain, arazo nagusia beamaren zabaltzeak eragindako galera handiak dira. Hau konfigurazioan gainditu daiteke, non nahasmena satelitetik banatzen den lurreko teleskopioekin, irekiera handiarekin. 20 cm-ko satelite irekiera suposatuz, 600 km-ko altuerara eta 1 st teleskopioaren diafragma lurrean, 75 dB-ko galera espero daiteke downlink kanalean, hau da, beheko galeraren 80 dB baino gutxiago. "Lurreko satelite" edo "satelite bidezko satelite" gauzatzeak konplexuagoak dira.

Memoria kuantikoa

Telebista etorkizuna sare eskalagarri baten zati gisa zuzenean zuzenean memoria kuantikoaren integrazioaren araberakoa da. Bigarrenak erradiazio-materia interfaze bikain bat izan behar du, bihurketa eraginkortasuna, grabatu eta irakurtzeko zehaztasuna, biltegiratze denbora eta banda zabalera, abiadura handiko eta biltegiratzeko gaitasuna. Lehenik eta behin, errepikagailuak erreproduzitzailearen bidez zuzeneko transmisioa hedatzeko aukera ematen du erreprodukzio-kodeen bidez. Memoria kuantiko onaren garapena ez litzateke soilik sarearen entanglement eta teleportation komunikazioa banatzea, baizik eta gordetako informazioa era koherentean prozesatzea. Azken finean, sarea nazioartean banatzen den ordenagailu kuantiko batean edo etorkizuneko Internet kuantiko baten oinarria izan daiteke.

Perspektiba garapenak

Forma tradizionalak erakargarriak izan dira, "argi-materia" eta biltegiratze garaietarako milisegundoren eraldaketa eraginkorra dela eta, mundu osoko argien transmisioa beharrezkoa den 100 msetara iristeko. Hala eta guztiz ere, itxaropen handiagoak espero dira gaur egun erdieroaleen sistemetan oinarrituta, non espin-ensemble kuantikoaren memoria bikaina QED eskemaren arkitektura eskalagarriarekin zuzenean integratzen baita. Memoria hori QED zirkuituaren koherentzia-denbora luzatu ez ezik, optiko-telekomunikazio eta txip mikrouhin fotoien arteko elkarloturako mikrouhin optikoko interfazea ere ematen du.

Horrela, Internet kuantikoen eremuan dauden zientzialariek etorkizuneko aurkikuntzak probatu ahal izango lirateke akoplamendu optiko luzean oinarrituta, informazio kuantikoa prozesatzeko nodo erdieroaleekin batera.