Teleportasi kuantum: penemuan besar fisikawan

Teleportasi kuantum adalah salah satu protokol terpenting dalam informasi kuantum. Berdasarkan sumber daya fisik keterikatan, ini berfungsi sebagai elemen utama dari berbagai tugas informasi dan merupakan bagian penting dari teknologi kuantum, memainkan peran kunci dalam pengembangan komputasi kuantum, jaringan dan komunikasi lebih lanjut.

Dari fiksi ilmiah hingga penemuan ilmuwan

Sudah lebih dari dua dekade sejak ditemukannya teleportasi kuantum, yang, barangkali, adalah salah satu konsekuensi menarik dan menarik dari "keanehan" mekanika kuantum. Sebelum penemuan besar ini dibuat, gagasan ini termasuk dalam bidang fiksi ilmiah. Awalnya ditemukan pada tahun 1931 oleh Charles H. Fort, istilah "teleportasi" sejak dulu digunakan untuk merujuk pada proses dimana benda dan benda dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain, bahkan tanpa mengatasi jarak di antara keduanya.

Pada tahun 1993, sebuah artikel diterbitkan yang menggambarkan protokol informasi kuantum, yang disebut "teleportasi kuantum," yang berbagi beberapa karakteristik di atas. Di dalamnya, keadaan sistem fisik yang tidak diketahui diukur dan kemudian direproduksi atau "dipasang kembali" di lokasi yang jauh (elemen fisik dari sistem asli tetap berada di tempat transmisi). Proses ini membutuhkan sarana komunikasi klasik dan tidak menyertakan komunikasi superluminal. Ini membutuhkan sumber keterikatan. Sebenarnya, teleportasi dapat dianggap sebagai protokol informasi kuantum, yang paling jelas menunjukkan sifat keterikatan: tanpa kehadirannya, keadaan transmisi semacam itu tidak akan mungkin terjadi dalam undang-undang yang menggambarkan mekanika kuantum.

Teleportasi berperan aktif dalam pengembangan ilmu informasi. Di satu sisi, ini adalah protokol konseptual yang memainkan peran yang menentukan dalam pengembangan teori informasi kuantum formal , dan di sisi lain, ini adalah komponen fundamental dari banyak teknologi. Pengulang kuantum adalah elemen kunci komunikasi jarak jauh. Teleportasi saklar kuantum, perhitungan berdasarkan pengukuran dan jaringan kuantum - semuanya merupakan turunannya. Ini juga digunakan sebagai alat sederhana untuk mempelajari fisika "ekstrem", berkaitan dengan kurva waktu dan penguapan lubang hitam.

Saat ini, teleportasi kuantum dikonfirmasi di laboratorium di seluruh dunia dengan menggunakan berbagai substrat dan teknologi yang berbeda, termasuk qubit fotonik, resonansi magnetik nuklir, mode optik, kelompok atom, atom yang terjebak, dan sistem semikonduktor. Hasil yang luar biasa dicapai di bidang jangkauan teleportasi, percobaan dengan satelit akan segera terbit. Selain itu, upaya telah dimulai untuk skala ke sistem yang lebih kompleks.

Teleportasi qubit

Teleportasi kuantum pertama kali dijelaskan untuk sistem dua level, qubit yang disebut. Protokol ini memperlakukan dua pihak terpencil, yang disebut Alice dan Bob, yang berbagi 2 qubit, A dan B, dalam keadaan kusut, juga disebut pasangan Bell. Di pintu masuk Alice qubit lain diberikan, yang negara bagiannya tidak diketahui. Kemudian dilakukan pengukuran kuantum gabungan yang disebut penemuan Bell. Ini membawa a dan A ke salah satu dari empat negara bagian Bell. Akibatnya, keadaan input qubit Alice menghilang selama pengukuran, dan qubit Bob secara simultan diproyeksikan ke P ^† _k ρP _k . Pada tahap terakhir dari protokol tersebut, Alice menyampaikan hasil klasik pengukurannya kepada Bob, yang menerapkan operator Pauli P _k untuk mengembalikan yang asli ρ.

Keadaan awal qubit Alice dianggap tidak diketahui, karena jika tidak, protokol dikurangi ke pengukuran jarak jauh. Selain itu, itu sendiri dapat menjadi bagian dari sistem komposit yang lebih besar yang dibagikan dengan pihak ketiga (dalam hal ini teleportasi yang sukses memerlukan reproduksi semua korelasi dengan pihak ketiga ini).

Eksperimen khas pada teleportasi kuantum mengasumsikan keadaan semula murni dan termasuk dalam alfabet terbatas, misalnya enam kutub bola Bloch. Dengan adanya decoherence, kualitas keadaan yang direkonstruksi dapat secara kuantitatif dinyatakan dengan akurasi teleportasi F ∈ [0, 1]. Inilah keakuratan antara negara bagian Alice dan Bob, yang dirata-ratakan dari semua hasil deteksi Bell dan alfabet aslinya. Untuk nilai akurasi yang kecil, ada metode yang memungkinkan Anda melakukan teleportasi yang tidak sempurna tanpa menggunakan sumber yang rumit. Misalnya, Alice bisa langsung mengukur keadaan awalnya dengan mengirimkan hasilnya ke Bob untuk menyiapkan keadaan yang dihasilkan. Strategi pengukuran-persiapan ini disebut "teleportasi klasik." Ini memiliki akurasi maksimum F _class = 2/3 untuk keadaan input yang sewenang-wenang, yang setara dengan alfabet dari keadaan yang sama sekali tidak bias, seperti enam kutub bola Bloch.

Jadi, indikasi yang jelas tentang penggunaan sumber kuantum adalah nilai akurasi _kelas F> F.

Bukan qubit satu pun

Menurut fisika kuantum, teleportasi tidak terbatas pada qubit, dapat mencakup sistem multidimensi. Untuk setiap pengukuran yang terbatas d, kita dapat merumuskan skema teleportasi yang ideal dengan menggunakan basis vektor keadaan yang paling kusut yang dapat diperoleh dari keadaan bingung yang diberikan secara total dan basis {U _k } operator kesatuan yang memenuhi tr (U ⁾ _j U _k ) = dδ _{j, k} . Protokol semacam itu dapat dibangun untuk ruang Hilbert berhingga yang terbatas dari apa yang disebut. Sistem variabel diskrit.

Selain itu, teleportasi kuantum juga dapat diperluas ke sistem dengan ruang Hilbert dimensi tak terbatas, yang disebut sistem continuously-variable. Sebagai aturan, mereka diwujudkan dengan mode cakram optik, yang medan listriknya dapat digambarkan oleh operator kuadratur.

Kecepatan dan prinsip ketidakpastian

Berapakah kecepatan teleportasi kuantum? Informasi ditransmisikan pada kecepatan yang sama dengan tingkat transmisi dengan jumlah yang sama klasik - mungkin dengan kecepatan cahaya. Secara teoritis, ini dapat digunakan dengan cara yang klasik tidak dapat - misalnya, dalam komputasi kuantum, di mana data hanya tersedia bagi penerimanya.

Apakah teleportasi kuantum melanggar prinsip ketidakpastian? Di masa lalu, gagasan tentang teleportasi tidak dianggap serius oleh para ilmuwan, karena diyakini bahwa hal itu melanggar prinsip yang melarang pengukuran atau pemindaian apapun dari penggalian semua informasi dari atom atau objek lainnya. Sesuai dengan prinsip ketidakpastian, semakin akurat objek dipindai, semakin terpengaruh oleh proses pemindaian, sampai suatu titik tercapai saat keadaan semula objek rusak sedemikian rupa sehingga tidak mungkin lagi memperoleh cukup informasi untuk membuat salinan yang tepat. Ini terdengar meyakinkan: jika seseorang tidak dapat mengekstrak informasi dari objek untuk membuat salinan yang ideal, maka yang terakhir tidak dapat dilakukan.

Teleportasi kuantum untuk dummies

Tapi enam ilmuwan (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crapo, Richard Josa, Asher Perez dan William Wuthers) telah menemukan jalan keluar dari logika ini, dengan menggunakan fitur mekanika kuantum yang terkenal dan paradoks, yang dikenal sebagai efek Einstein-Podolsky-Rosen. Mereka menemukan cara untuk memindai beberapa informasi dari objek teleport A, dan bagian yang belum diverifikasi lainnya dengan cara efek di atas untuk mentransfer ke objek lain C, berhubungan dengan A yang tidak pernah tinggal.

Di masa depan, dengan menerapkan dampak pada C tergantung pada informasi yang dipindai, Anda dapat memasukkan C ke status A sebelum memindai. A sendiri tidak lagi berada dalam keadaan itu, karena benar-benar diubah oleh proses pemindaian, jadi hasilnya adalah teleportasi, bukan replikasi.

Perjuangan untuk rentang

• Teleportasi kuantum pertama dilakukan pada tahun 1997 hampir bersamaan oleh para ilmuwan dari University of Innsbruck dan University of Rome. Selama percobaan, foton asli memiliki polarisasi dan satu dari sepasang foton terjerat mengalami perubahan sedemikian rupa sehingga foton kedua menerima polarisasi foton asli. Pada saat yang sama, kedua foton berada di kejauhan satu sama lain.
• Pada tahun 2012, teleportasi kuantum lainnya (China, Universitas Sains dan Teknologi) berlangsung di seberang danau dataran tinggi dengan jarak 97 km. Sebuah tim ilmuwan dari Shanghai, yang dipimpin oleh Juan Yin, berhasil mengembangkan mekanisme sugestif yang memungkinkan untuk menargetkan balok dengan akurat.
• Pada bulan September tahun yang sama, sebuah teleportasi kuantum rekor 143 km telah dilakukan. Ilmuwan Austria dari Akademi Ilmu Pengetahuan Austria dan Universitas Wina, di bawah kepemimpinan Anton Zeilinger, berhasil melewati negara kuantum antara dua Kepulauan Canary di La Palma dan Tenerife. Percobaan menggunakan dua jalur komunikasi optik di ruang terbuka, sebuah kuantum kuadrat dan klasik, klausa foton sumber-terpolarisasi frekuensi-uncorrelated, detektor foton tunggal noise ultra-rendah, dan sinkronisasi jam yang digabungkan.
• Pada tahun 2015, periset dari American National Institute of Standards and Technology untuk pertama kalinya mentransmisikan informasi lebih dari 100 km oleh serat. Ini menjadi mungkin berkat detektor foton tunggal yang dibuat di Institut, menggunakan kawat nano superkonduktor dari silicide molibdenum.

Jelas bahwa sistem kuantum atau teknologi ideal belum ada dan penemuan besar masa depan terbentang di depan. Namun demikian, seseorang dapat mencoba mengidentifikasi kandidat yang mungkin dalam aplikasi teleportasi tertentu. Hibridisasi yang sesuai, memberikan basis dan metode yang sesuai dapat memberikan masa depan yang paling menjanjikan untuk teleportasi kuantum dan aplikasinya.

Jarak pendek

Teleportasi untuk jarak pendek (sampai 1 m) sebagai subsistem komputasi kuantum menjanjikan pada perangkat semikonduktor, yang terbaik adalah skema QED. Secara khusus, qubit transmometon superkonduktor dapat menjamin teleportasi deterministik dan presisi tinggi pada sebuah chip. Mereka juga mengizinkan pakan langsung secara real time, yang terlihat bermasalah pada chip fotonik. Selain itu, mereka menyediakan arsitektur yang lebih terukur dan integrasi teknologi yang ada dengan lebih baik dibandingkan dengan pendekatan sebelumnya, seperti ion yang ditangkap. Saat ini, satu-satunya kekurangan dari sistem ini tampaknya adalah waktu koherensi terbatas mereka (<100 μs). Masalah ini dapat diatasi dengan mengintegrasikan skema QED dengan sel memori spin-ensemble semikonduktor (dengan nitrogen-substituted vacancies atau rare-earth-doped crystal), yang dapat memberikan waktu koherensi yang panjang untuk penyimpanan data kuantum. Saat ini, implementasi ini merupakan subyek banyak usaha oleh komunitas ilmiah.

Komunikasi kota

Komunikasi teleport dalam skala kota (beberapa kilometer) bisa dikembangkan dengan menggunakan mode optik. Dengan kerugian yang cukup rendah, sistem ini memberikan kecepatan dan bandwidth tinggi. Mereka dapat diperluas dari implementasi desktop ke sistem jarak menengah yang beroperasi melalui eter atau serat, dengan kemungkinan integrasi dengan memori kuantum ansambel. Jarak yang lebih jauh, namun pada kecepatan rendah, dapat dicapai dengan menggunakan pendekatan hibrida atau dengan mengembangkan repeater yang baik berdasarkan proses non-Gaussian.

Komunikasi jarak jauh

Teleportasi kuantum jarak jauh (lebih dari 100 km) adalah area aktif, namun masih mengalami masalah terbuka. Kubus polarisasi adalah pembawa terbaik untuk teleportasi kecepatan rendah melalui jalur komunikasi serat optik yang panjang dan di udara, namun pada saat ini protokolnya bersifat probabilistik karena deteksi Bell yang tidak lengkap.

Meskipun teleportasi probabilitas dan keterikatan dapat diterima untuk tugas seperti penyulingan belitan dan kriptografi kuantum, ini jelas berbeda dari komunikasi dimana informasi masukan harus dipelihara sepenuhnya.

Jika kita mengambil karakter probabilistik ini, implementasi satelit berada dalam jangkauan teknologi modern. Selain integrasi metode pelacakan, masalah utamanya adalah tingginya kerugian akibat penyebaran balok. Hal ini dapat diatasi dalam konfigurasi dimana belitan didistribusikan dari satelit ke teleskop terestrial dengan aperture besar. Dengan asumsi aperture satelit 20 cm pada ketinggian 600 km dan diafragma teleskop 1 di tanah, orang dapat mengharapkan sekitar 75 dB kehilangan di saluran downlink, yang kurang dari 80 dB kehilangan pada permukaan tanah. Realisasi "satelit bumi" atau "satelit satelit" lebih rumit.

Memori kuantum

Penggunaan teleportasi masa depan sebagai bagian integral dari jaringan terukur secara langsung bergantung pada integrasinya dengan memori kuantum. Yang terakhir ini harus memiliki antarmuka materi radiasi yang sangat baik, dalam hal efisiensi konversi, akurasi rekaman dan pembacaan, waktu penyimpanan dan bandwidth, kecepatan tinggi dan kapasitas penyimpanan. Pertama-tama, ini akan memungkinkan penggunaan repeater untuk memperluas komunikasi jauh melampaui transmisi langsung menggunakan kode koreksi kesalahan. Pengembangan memori kuantum yang baik akan memungkinkan tidak hanya untuk mendistribusikan keterikatan jaringan dan komunikasi teleportasi, namun juga untuk memproses informasi yang tersimpan secara koheren. Pada akhirnya, ini bisa mengubah jaringan menjadi komputer kuantum yang terdistribusi secara internasional atau basis untuk Internet kuantum masa depan.

Perspektif perkembangan

Ansambel atom secara tradisional dianggap menarik karena transformasi efektif dari "materi ringan" dan waktu penyimpanan milidetik mereka, yang bisa mencapai 100 ms, diperlukan untuk transmisi cahaya dalam skala global. Namun demikian, perkembangan yang lebih menjanjikan diharapkan hari ini berdasarkan sistem semikonduktor, di mana memori kuantum spin-ansambel yang sangat baik secara langsung terintegrasi dengan arsitektur skema QED yang skalabel. Memori ini tidak hanya dapat memperpanjang waktu koherensi sirkuit QED, namun juga menyediakan antarmuka gelombang mikro optik untuk interkonversi foton gelombang mikro optik dan chip.

Dengan demikian, penemuan ilmuwan masa depan di bidang internet kuantum kemungkinan didasarkan pada kopling optik jarak jauh, ditambah dengan node semikonduktor untuk memproses informasi kuantum.