Quantum teleportation ni mojawapo ya itifaki muhimu zaidi katika taarifa ya wingi. Kulingana na rasilimali ya kimwili ya msongamano, hutumika kama kipengele kikuu cha kazi mbalimbali za habari na ni sehemu muhimu ya teknolojia ya quantum, inachukua jukumu muhimu katika maendeleo zaidi ya kompyuta ya kiasi, mitandao na mawasiliano.
Kutoka hadithi za kisayansi hadi ugunduzi wa wanasayansi
Imekuwa zaidi ya miongo miwili tangu ugunduzi wa quantum teleportation, ambayo labda ni mojawapo ya matokeo ya kuvutia na ya kusisimua zaidi ya "ajabu" ya quantum mechanics. Kabla ya uvumbuzi huu mkubwa kufanywa, wazo hili lilikuwa la ulimwengu wa hadithi za kisayansi. Iliyoundwa kwa mara ya kwanza mnamo 1931 na Charles H. Fort, neno "teleportation" tangu wakati huo limetumika kurejelea mchakato ambao miili na vitu vinahamishwa kutoka sehemu moja hadi nyingine bila kusafiri umbali kati yao.
Mnamo 1993, makala ilichapishwa ikielezea itifaki ya habari ya quantum, iitwayo"quantum teleportation", ambayo ilishiriki vipengele kadhaa vilivyoorodheshwa hapo juu. Ndani yake, hali isiyojulikana ya mfumo wa kimwili hupimwa na hatimaye kuzalishwa au "kuunganishwa tena" kwenye eneo la mbali (mambo ya kimwili ya mfumo wa awali hubakia kwenye tovuti ya maambukizi). Mchakato huu unahitaji njia za kawaida za mawasiliano na haujumuishi mawasiliano ya FTL. Inahitaji rasilimali ya kuingiliana. Kwa hakika, utumaji simu inaweza kuonekana kama itifaki ya taarifa ya wingi ambayo inaonyesha kwa uwazi zaidi asili ya mtego: bila uwepo wake, hali kama hiyo ya uenezaji haingewezekana ndani ya mfumo wa sheria zinazoelezea mechanics ya quantum.
Teleportation ina jukumu kubwa katika ukuzaji wa sayansi ya habari. Kwa upande mmoja, ni itifaki ya dhana ambayo ina jukumu la kuamua katika maendeleo ya nadharia rasmi ya habari ya quantum, na kwa upande mwingine, ni sehemu ya msingi ya teknolojia nyingi. Repeater ya quantum ni kipengele muhimu cha mawasiliano kwa umbali mrefu. Utumaji telefoni wa swichi ya quantum, kompyuta inayotegemea mwelekeo, na mitandao ya quantum zote ni derivatives yake. Pia hutumika kama zana rahisi ya kusoma fizikia "iliyokithiri" kuhusu mikondo ya wakati na uvukizi wa shimo nyeusi.
Leo, uwasilishaji wa quantum teleportation umethibitishwa katika maabara duniani kote kwa kutumia substrates na teknolojia nyingi tofauti, ikiwa ni pamoja na qubits photonic, resonance sumaku ya nyuklia, modi za macho, vikundi vya atomi, atomi zilizonaswa namifumo ya semiconductor. Matokeo bora yamepatikana katika uwanja wa anuwai ya teleportation, majaribio na satelaiti yanakuja. Aidha, majaribio yameanza kufikia mifumo changamano zaidi.
Utangazaji wa qubits
Quantum teleportation ilielezewa kwa mara ya kwanza kwa mifumo ya ngazi mbili, ile inayoitwa qubits. Itifaki inazingatia pande mbili za mbali, zinazoitwa Alice na Bob, ambao wanashiriki qubits 2, A na B, katika hali iliyochanganyikiwa, inayoitwa pia jozi ya Bell. Kwa pembejeo, Alice anapewa mwingine qubit a, ambaye hali yake ρ haijulikani. Kisha hufanya kipimo cha pamoja cha quantum kinachoitwa Bell kugundua. Inachukua a na A hadi mojawapo ya majimbo manne ya Bell. Kwa hivyo, hali ya qubit ya ingizo ya Alice hupotea wakati wa kipimo, na qubit ya Bob inakadiriwa kwa wakati mmoja kwenye Р†kρP k. Katika hatua ya mwisho ya itifaki, Alice anatuma matokeo ya awali ya kipimo chake kwa Bob, ambaye hutumia opereta wa Pauli Pk kurejesha ρ.
Hali ya awali ya qubit ya Alice inachukuliwa kuwa haijulikani, kwa sababu vinginevyo itifaki itapunguzwa hadi kipimo chake cha mbali. Vinginevyo, inaweza yenyewe kuwa sehemu ya mfumo mkubwa wa mchanganyiko unaoshirikiwa na mtu wa tatu (katika hali ambayo, uwasilishaji kwa njia ya simu wenye mafanikio unahitaji kuzaliana uhusiano wote na wahusika wengine).
Jaribio la kawaida la utumaji simu wa quantum huchukulia kuwa hali ya awali ni safi na inamilikiwa na alfabeti ndogo,kwa mfano, nguzo sita za nyanja ya Bloch. Katika uwepo wa uharibifu, ubora wa hali iliyojengwa upya inaweza kuhesabiwa kwa usahihi wa teleportation F ∈ [0, 1]. Huu ndio usahihi kati ya majimbo ya Alice na Bob, wastani wa matokeo yote ya ugunduzi wa Bell na alfabeti asili. Kwa viwango vya chini vya usahihi, kuna njia zinazoruhusu uwasilishaji usio kamili bila kutumia rasilimali iliyofichwa. Kwa mfano, Alice anaweza kupima moja kwa moja hali yake ya awali kwa kutuma matokeo kwa Bob ili kuandaa hali inayotokea. Mkakati huu wa kuandaa kipimo unaitwa "classical teleportation". Ina usahihi wa juu zaidi wa Fclass=2/3 kwa hali ya uingizaji kiholela, ambayo ni sawa na alfabeti ya hali zisizopendelea upande wowote, kama vile nguzo sita za Bloch sphere.
Kwa hivyo, dalili ya wazi ya matumizi ya rasilimali za quantum ni thamani ya usahihi F> Fdarasa.
Hakuna hata tobo moja
Kulingana na quantum physics, teleportation si tu qubits, inaweza kujumuisha mifumo ya multidimensional. Kwa kila kipimo d, mtu anaweza kuunda mpango bora wa utumaji simu kwa kutumia msingi wa vekta za serikali zilizonaswa kwa kiwango cha juu zaidi, ambazo zinaweza kupatikana kutoka kwa hali iliyonaswa kwa kiwango kikubwa na msingi {Uk} wa waendeshaji wa kitengo cha kuridhisha tr(U †j Uk)=dδj, k . Itifaki kama hiyo inaweza kutengenezwa kwa Hilbert yoyote yenye mwelekeo wa mwishonafasi za kinachojulikana. mifumo tofauti tofauti.
Kando na hilo, utumaji simu wa quantum pia unaweza kupanuliwa hadi kwenye mifumo iliyo na nafasi ya Hilbert isiyo na kipimo, inayoitwa mifumo inayobadilika-badilika-endelea. Kama sheria, hugunduliwa kwa njia za macho za macho, uwanja wa umeme ambao unaweza kuelezewa na waendeshaji wa quadrature.
Kasi na kutokuwa na uhakika kanuni
Je, kasi ya quantum teleportation ni ipi? Habari hupitishwa kwa kasi sawa na ile ya kiwango sawa cha maambukizi ya classical - labda kwa kasi ya mwanga. Kinadharia, inaweza kutumika kwa njia ambazo ile ya zamani haiwezi - kwa mfano, katika kompyuta ya quantum, ambapo data inapatikana kwa mpokeaji pekee.
Je, utumaji simu kwa wingi unakiuka kanuni ya kutokuwa na uhakika? Hapo awali, wazo la teleportation halikuchukuliwa kwa uzito sana na wanasayansi kwa sababu ilifikiriwa kukiuka kanuni kwamba mchakato wowote wa kupima au skanning hautatoa habari zote za atomi au kitu kingine. Kwa mujibu wa kanuni ya kutokuwa na uhakika, jinsi kitu kinachunguzwa kwa usahihi, ndivyo inavyoathiriwa zaidi na mchakato wa skanning, hadi kufikia hatua ambapo hali ya awali ya kitu inakiukwa kwa kiasi kwamba haiwezekani tena kupata. habari ya kutosha kuunda nakala halisi. Hii inasikika kuwa ya kushawishi: ikiwa mtu hawezi kutoa taarifa kutoka kwa kitu ili kuunda nakala kamili, basi ya mwisho haiwezi kufanywa.
Quantum teleportation kwa dummies
Lakini wanasayansi sita (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez na William Wuthers) walipata njia ya kuzunguka mantiki hii kwa kutumia kipengele maarufu na cha kutatanisha cha mekanika ya quantum inayojulikana kama Einstein-Podolsky- Athari ya Rosen. Walipata njia ya kuchanganua sehemu ya maelezo ya kitu A kilichotumwa kwa simu, na kuhamisha sehemu iliyosalia ambayo haijathibitishwa kupitia madoido iliyotajwa hadi kwa kitu kingine C, ambacho hakijawahi kuwasiliana na A.
Zaidi ya hayo, kwa kutumia ushawishi kwa C kulingana na maelezo yaliyochanganuliwa, unaweza kuweka C katika hali A kabla ya kuchanganua. A yenyewe haipo tena katika hali ile ile, kwani imebadilishwa kabisa na mchakato wa skanning, kwa hivyo kilichopatikana ni teleportation, sio replication.
Mapambano kwa masafa
- Utumaji simu wa kwanza wa quantum ulitekelezwa mnamo 1997 karibu wakati huo huo na wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Innsbruck na Chuo Kikuu cha Roma. Wakati wa jaribio, photon ya awali, ambayo ina polarization, na moja ya jozi ya picha zilizopigwa, zilibadilishwa kwa namna ambayo photon ya pili ilipata polarization ya moja ya awali. Katika kesi hii, fotoni zote mbili zilikuwa kwa umbali kutoka kwa nyingine.
- Mnamo 2012 utumaji simu mwingine wa quantum ulifanyika (Uchina, Chuo Kikuu cha Sayansi na Teknolojia) kupitia ziwa la milima mirefu lililo umbali wa kilomita 97. Kikundi cha wanasayansi kutoka Shanghai, wakiongozwa na Huang Yin, waliweza kutengeneza mbinu ya kutunza nyumba iliyowezesha kulenga boriti kwa usahihi.
- Mnamo Septemba mwaka huo huo, utumaji simu wa rekodi wa kilomita 143 ulifanyika. Wanasayansi wa Austria kutoka Chuo cha Sayansi cha Austria na Chuo KikuuVienna, iliyoongozwa na Anton Zeilinger, ilifanikiwa kuhamisha majimbo ya quantum kati ya Visiwa viwili vya Canary vya La Palma na Tenerife. Jaribio lilitumia njia mbili za mawasiliano ya macho katika nafasi wazi, quantum na classical, polarization isiyohusiana ya frequency iliyonaswa jozi ya fotoni chanzo, vigunduzi vya sauti ya chini kabisa vya photoni moja na usawazishaji wa saa.
- Mwaka wa 2015, watafiti kutoka Taasisi ya Kitaifa ya Viwango na Teknolojia ya Marekani kwa mara ya kwanza walisambaza taarifa kwa umbali wa zaidi ya kilomita 100 kupitia nyuzi macho. Hili liliwezekana kutokana na vigunduzi vya fotoni moja vilivyoundwa katika taasisi hiyo, kwa kutumia nanowires zenye ubora wa juu zilizotengenezwa kwa silicide ya molybdenum.
Ni wazi kwamba mfumo bora wa quantum au teknolojia bado haipo na uvumbuzi mkuu wa siku zijazo bado unakuja. Walakini, mtu anaweza kujaribu kutambua wagombea wanaowezekana katika matumizi maalum ya usafirishaji. Mseto ufaao wa hizi, ukizingatia mfumo na mbinu zinazooana, unaweza kutoa mustakabali wenye matumaini zaidi kwa utumaji telefoni wa quantum na matumizi yake.
Umbali mfupi
Utumaji simu kwa umbali mfupi (hadi m 1) kama mfumo mdogo wa kompyuta wa wingi unaleta matumaini kwa vifaa vya semicondukta, bora zaidi kati yake ni mpango wa QED. Hasa, superconducting transmon qubits inaweza kuhakikisha deterministic na usahihi wa juu juu ya-chip teleportation. Pia huruhusu malisho ya moja kwa moja ya wakati halisi, ambayoinaonekana kuwa na shida kwenye chips za picha. Kwa kuongezea, hutoa usanifu mbaya zaidi na ujumuishaji bora wa teknolojia zilizopo ikilinganishwa na njia za hapo awali kama ioni zilizonaswa. Kwa sasa, kikwazo pekee cha mifumo hii inaonekana kuwa wakati wao mdogo wa kushikamana (<100 µs). Tatizo hili linaweza kutatuliwa kwa kuunganisha sakiti ya QED na seli za kumbukumbu za semiconductor spin-ensemble (pamoja na nafasi zilizobadilishwa na nitrojeni au fuwele za nadra-doped duniani), ambayo inaweza kutoa muda mrefu wa mshikamano wa kuhifadhi data ya quantum. Utekelezaji huu kwa sasa ni somo la juhudi nyingi kutoka kwa jumuiya ya wanasayansi.
Mawasiliano ya jiji
Mawasiliano ya simu katika mizani ya jiji (kilomita kadhaa) yanaweza kuendelezwa kwa kutumia modi za macho. Kwa hasara za kutosha za chini, mifumo hii hutoa kasi ya juu na bandwidth. Zinaweza kupanuliwa kutoka kwa utekelezaji wa eneo-kazi hadi mifumo ya masafa ya wastani inayofanya kazi angani au nyuzinyuzi, kwa kuunganishwa kwa uwezekano na kumbukumbu ya quantum. Umbali mrefu zaidi lakini kasi ya chini inaweza kufikiwa kwa mbinu ya mseto au kwa kutengeneza virudiarudia vyema kulingana na michakato isiyo ya Kigaussia.
Mawasiliano ya masafa marefu
Utumaji simu wa umbali mrefu (zaidi ya kilomita 100) ni eneo amilifu, lakini bado unakabiliwa na tatizo la wazi. Mapungufu ya ubaguzi -watoa huduma bora zaidi wa usafirishaji wa kasi wa chini kupitia viunga vya nyuzinyuzi ndefu na angani, lakini itifaki kwa sasa ni ya uwezekano kwa sababu ya kutokamilika kwa utambuzi wa Kengele.
Ingawa upeperushaji simu unaowezekana na mitego inakubalika kwa matatizo kama vile kunereka kwa kunasa na kriptografia ya kiasi, hii ni tofauti kabisa na mawasiliano, ambayo ingizo lazima lihifadhiwe kabisa.
Tukikubali hali hii ya uwezekano, basi utekelezaji wa setilaiti unaweza kufikiwa na teknolojia ya kisasa. Mbali na kuunganishwa kwa njia za ufuatiliaji, tatizo kuu ni hasara kubwa zinazosababishwa na kuenea kwa boriti. Hili linaweza kushindwa katika usanidi ambapo msongamano husambazwa kutoka kwa satelaiti hadi kwenye darubini kubwa za upenyo wa ardhi. Kwa kuchukulia upenyo wa satelaiti wa sentimita 20 kwa urefu wa kilomita 600 na upenyo wa darubini ya m 1 chini, takriban 75 dB ya upotezaji wa kiunganishi cha chini inaweza kutarajiwa, ambayo ni chini ya upotezaji wa 80 dB katika kiwango cha chini. Utekelezaji wa ardhi hadi setilaiti au setilaiti hadi setilaiti ni changamano zaidi.
Kumbukumbu ya kiasi
Matumizi ya baadaye ya utumaji simu kama sehemu ya mtandao unaoweza kusambazwa moja kwa moja inategemea kuunganishwa kwake na kumbukumbu ya kiasi. Mwisho unapaswa kuwa na kiolesura bora cha mionzi-to-matter katika suala la ufanisi wa uongofu, usahihi wa kurekodi na kusoma, muda wa kuhifadhi na bandwidth, kasi ya juu na uwezo wa kuhifadhi. KwanzaKwa upande mwingine, hii itaruhusu matumizi ya relay kupanua mawasiliano mbali zaidi ya maambukizi ya moja kwa moja kwa kutumia misimbo ya kurekebisha makosa. Ukuzaji wa kumbukumbu nzuri ya quantum itaruhusu sio tu kusambaza msongamano juu ya mtandao na mawasiliano ya teleportation, lakini pia kuchakata habari iliyohifadhiwa kwa njia thabiti. Hatimaye, hii inaweza kugeuza mtandao kuwa kompyuta ya quantum inayosambazwa duniani kote au msingi wa mtandao wa quantum siku zijazo.
Maendeleo ya kuahidi
Miunganisho ya atomiki kwa kawaida imekuwa ikizingatiwa kuwa ya kuvutia kutokana na ugeuzaji mzuri wa mwanga hadi kitu na muda wa maisha wa milisekunde, ambayo inaweza kuwa juu kama milisekunde 100 zinazohitajika ili kusambaza mwanga katika kiwango cha kimataifa. Hata hivyo, maendeleo zaidi ya kuahidi leo yanatarajiwa kulingana na mifumo ya semiconductor, ambapo kumbukumbu bora zaidi ya spin-ensemble quantum imeunganishwa moja kwa moja na usanifu wa mzunguko wa QED wa scalable. Kumbukumbu hii haiwezi tu kupanua muda wa mshikamano wa saketi ya QED, lakini pia kutoa kiolesura cha macho-microwave kwa ubadilishaji wa fotoni za microwave za macho na chip.
Kwa hivyo, uvumbuzi wa siku zijazo wa wanasayansi katika uwanja wa mtandao wa quantum huenda ukatokana na mawasiliano ya masafa marefu ya macho pamoja na nodi za semiconductor ili kuchakata taarifa za wingi.
