Il teletrasporto quantistico è uno dei protocolli più importanti nell'informazione quantistica. Basato sulla risorsa fisica dell'entanglement, funge da elemento principale di vari compiti informativi ed è una componente importante delle tecnologie quantistiche, svolgendo un ruolo chiave nell'ulteriore sviluppo dell'informatica quantistica, delle reti e della comunicazione.
Dalla fantascienza alla scoperta degli scienziati
Sono passati più di due decenni dalla scoperta del teletrasporto quantistico, che è forse una delle conseguenze più interessanti ed eccitanti della "stranezza" della meccanica quantistica. Prima che queste grandi scoperte fossero fatte, questa idea apparteneva al regno della fantascienza. Coniato per la prima volta nel 1931 da Charles H. Fort, il termine "teletrasporto" è stato da allora utilizzato per riferirsi al processo mediante il quale corpi e oggetti vengono trasferiti da un luogo all' altro senza effettivamente percorrere la distanza tra loro.
Nel 1993 fu pubblicato un articolo che descriveva il protocollo di informazione quantistica, chiamato"teletrasporto quantistico", che condivideva molte delle caratteristiche sopra elencate. In esso, lo stato sconosciuto di un sistema fisico viene misurato e successivamente riprodotto o "riassemblato" in un luogo remoto (gli elementi fisici del sistema originale rimangono nel sito di trasmissione). Questo processo richiede mezzi di comunicazione classici ed esclude la comunicazione FTL. Ha bisogno di una risorsa di entanglement. In effetti, il teletrasporto può essere visto come un protocollo di informazione quantistica che dimostra più chiaramente la natura dell'entanglement: senza la sua presenza, un tale stato di trasmissione non sarebbe possibile nell'ambito delle leggi che descrivono la meccanica quantistica.
Il teletrasporto gioca un ruolo attivo nello sviluppo della scienza dell'informazione. Da un lato, è un protocollo concettuale che gioca un ruolo decisivo nello sviluppo della teoria dell'informazione quantistica formale e, dall' altro, è una componente fondamentale di molte tecnologie. Il ripetitore quantistico è un elemento chiave della comunicazione su lunghe distanze. Il teletrasporto degli interruttori quantistici, il calcolo basato sulle dimensioni e le reti quantistiche ne sono tutti derivati. Viene anche utilizzato come semplice strumento per studiare la fisica "estrema" per quanto riguarda le curve temporali e l'evaporazione dei buchi neri.
Oggi, il teletrasporto quantistico è stato confermato nei laboratori di tutto il mondo utilizzando diversi substrati e tecnologie, inclusi qubit fotonici, risonanza magnetica nucleare, modalità ottiche, gruppi di atomi, atomi intrappolati esistemi a semiconduttore. Risultati eccezionali sono stati raggiunti nel campo del teletrasporto, sono in arrivo esperimenti con i satelliti. Inoltre, sono iniziati i tentativi di scalare verso sistemi più complessi.
Teletrasporto di qubit
Il teletrasporto quantistico è stato descritto per la prima volta per sistemi a due livelli, i cosiddetti qubit. Il protocollo considera due parti distanti, chiamate Alice e Bob, che condividono 2 qubit, A e B, in uno stato entangled puro, chiamato anche coppia Bell. All'ingresso, ad Alice viene assegnato un altro qubit a, il cui stato ρ è sconosciuto. Quindi esegue una misurazione quantistica congiunta chiamata rilevamento Bell. Occorrono a e A per uno dei quattro stati Bell. Di conseguenza, lo stato del qubit di input di Alice scompare durante la misurazione e il qubit B di Bob viene simultaneamente proiettato su Р†kρP k. Nell'ultima fase del protocollo, Alice invia il classico risultato della sua misurazione a Bob, che utilizza l'operatore Pauli Pk per ripristinare l'originale ρ.
Lo stato iniziale del qubit di Alice è considerato sconosciuto, perché altrimenti il protocollo si riduce alla sua misura remota. In alternativa, potrebbe essere esso stesso parte di un sistema composito più ampio condiviso con una terza parte (in tal caso, il teletrasporto di successo richiede la riproduzione di tutte le correlazioni con quella terza parte).
Un tipico esperimento di teletrasporto quantistico presuppone che lo stato iniziale sia puro e appartenga a un alfabeto limitato,per esempio, i sei poli della sfera di Bloch. In presenza di decoerenza, la qualità dello stato ricostruito può essere quantificata dall'accuratezza del teletrasporto F ∈ [0, 1]. Questa è la precisione tra gli stati di Alice e Bob, mediata su tutti i risultati del rilevamento Bell e l'alfabeto originale. A bassi valori di precisione, esistono metodi che consentono il teletrasporto imperfetto senza utilizzare una risorsa offuscata. Ad esempio, Alice può misurare direttamente il suo stato iniziale inviando i risultati a Bob per preparare lo stato risultante. Questa strategia di preparazione alla misurazione è chiamata "teletrasporto classico". Ha una precisione massima di Fclass=2/3 per uno stato di input arbitrario, che equivale a un alfabeto di stati reciprocamente imparziali, come i sei poli di una sfera di Bloch.
Quindi, una chiara indicazione dell'uso delle risorse quantistiche è il valore di accuratezza F> Fclass.
Non un singolo qubit
Secondo la fisica quantistica, il teletrasporto non si limita ai qubit, può includere sistemi multidimensionali. Per ogni dimensione finita d, si può formulare uno schema di teletrasporto ideale usando una base di vettori di stato massimamente entangled, che possono essere ottenuti da un dato stato massimamente entangled e una base {Uk} di operatori unitari che soddisfano tr(U †j Uk)=dδj, k . Tale protocollo può essere costruito per qualsiasi Hilbert a dimensione finitaspazi dei cosiddetti. sistemi variabili discreti.
Inoltre, il teletrasporto quantistico può essere esteso anche a sistemi con uno spazio di Hilbert a dimensione infinita, chiamati sistemi a variabili continue. Di norma, sono realizzati da modi bosonici ottici, il cui campo elettrico può essere descritto da operatori di quadratura.
Velocità e principio di indeterminazione
Qual è la velocità del teletrasporto quantistico? Le informazioni vengono trasmesse a una velocità simile a quella della stessa quantità di trasmissione classica, forse alla velocità della luce. In teoria, può essere utilizzato in modi che quello classico non può, ad esempio nell'informatica quantistica, dove i dati sono disponibili solo per il destinatario.
Il teletrasporto quantistico viola il principio di indeterminazione? In passato, l'idea del teletrasporto non veniva presa molto sul serio dagli scienziati perché si pensava violasse il principio che qualsiasi processo di misurazione o scansione non avrebbe estratto tutte le informazioni di un atomo o di un altro oggetto. Secondo il principio di indeterminazione, quanto più accuratamente viene scansionato un oggetto, tanto più esso risente del processo di scansione, fino a raggiungere un punto in cui lo stato originale dell'oggetto viene violato a tal punto che non è più possibile ottenerlo informazioni sufficienti per creare una copia esatta. Sembra convincente: se una persona non è in grado di estrarre informazioni da un oggetto per crearne una copia perfetta, l'ultima non può essere eseguita.
Teletrasporto quantistico per manichini
Ma sei scienziati (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez e William Wuthers) hanno trovato un modo per aggirare questa logica utilizzando la famosa e paradossale caratteristica della meccanica quantistica nota come Einstein-Podolsky- Effetto rosato. Hanno trovato un modo per scansionare parte delle informazioni dell'oggetto teletrasportato A e trasferire il resto della parte non verificata attraverso l'effetto menzionato su un altro oggetto C, che non è mai stato in contatto con A.
Inoltre, applicando a C un'influenza che dipende dalle informazioni scansionate, puoi mettere C nello stato A prima della scansione. A in sé non è più nello stesso stato, poiché è stato completamente modificato dal processo di scansione, quindi ciò che è stato ottenuto è il teletrasporto, non la replica.
Lotta per la portata
- Il primo teletrasporto quantistico è stato effettuato nel 1997 quasi contemporaneamente da scienziati dell'Università di Innsbruck e dell'Università di Roma. Durante l'esperimento, il fotone originale, che ha una polarizzazione, e uno della coppia di fotoni entangled, sono stati modificati in modo tale che il secondo fotone ricevesse la polarizzazione di quello originale. In questo caso, entrambi i fotoni erano a distanza l'uno dall' altro.
- Nel 2012 ha avuto luogo un altro teletrasporto quantistico (Cina, Università di Scienza e Tecnologia) attraverso un lago di alta montagna a una distanza di 97 km. Un team di scienziati di Shanghai, guidato da Huang Yin, è riuscito a sviluppare un meccanismo di homing che ha permesso di puntare con precisione il raggio.
- Nel settembre dello stesso anno fu effettuato un teletrasporto quantistico record di 143 km. Scienziati austriaci dell'Accademia austriaca delle scienze e dell'UniversitàVienna, guidata da Anton Zeilinger, ha trasferito con successo stati quantistici tra le due isole Canarie di La Palma e Tenerife. L'esperimento ha utilizzato due linee di comunicazione ottica nello spazio aperto, quantistica e classica, coppia di fotoni sorgente con polarizzazione non correlata alla frequenza, rivelatori di fotoni singoli a bassissimo rumore e sincronizzazione dell'orologio accoppiata.
- Nel 2015, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti hanno trasmesso per la prima volta informazioni su una distanza di oltre 100 km tramite fibra ottica. Ciò è diventato possibile grazie ai rivelatori a fotone singolo creati dall'istituto, utilizzando nanofili superconduttori fatti di siliciuro di molibdeno.
È chiaro che il sistema quantistico o la tecnologia ideale non esiste ancora e le grandi scoperte del futuro devono ancora arrivare. Tuttavia, si può cercare di identificare possibili candidati in applicazioni specifiche di teletrasporto. Un'adeguata ibridazione di questi, data una struttura e metodi compatibili, potrebbe fornire il futuro più promettente per il teletrasporto quantistico e le sue applicazioni.
Brevi distanze
Il teletrasporto su brevi distanze (fino a 1 m) come sottosistema di calcolo quantistico è promettente per i dispositivi a semiconduttore, il migliore dei quali è lo schema QED. In particolare, i qubit transmon superconduttori possono garantire un teletrasporto su chip deterministico e di alta precisione. Consentono anche il feed diretto in tempo reale, chesembra problematico sui chip fotonici. Inoltre, forniscono un'architettura più scalabile e una migliore integrazione delle tecnologie esistenti rispetto agli approcci precedenti come gli ioni intrappolati. Allo stato attuale, l'unico inconveniente di questi sistemi sembra essere il loro tempo di coerenza limitato (<100 µs). Questo problema può essere risolto integrando il circuito QED con celle di memoria spin-ensemble a semiconduttore (con posti vacanti sostituiti con azoto o cristalli drogati con terre rare), che possono fornire un lungo tempo di coerenza per l'archiviazione dei dati quantistici. Questa implementazione è attualmente oggetto di molti sforzi da parte della comunità scientifica.
Comunicazione urbana
La comunicazione di teletrasporto su scala urbana (diversi chilometri) potrebbe essere sviluppata utilizzando modalità ottiche. Con perdite sufficientemente basse, questi sistemi forniscono velocità e larghezza di banda elevate. Possono essere estesi da implementazioni desktop a sistemi a medio raggio operanti via etere o fibra, con possibile integrazione con la memoria quantistica di insieme. Distanze maggiori ma velocità inferiori possono essere raggiunte con un approccio ibrido o sviluppando buoni ripetitori basati su processi non gaussiani.
Comunicazione a lunga distanza
Il teletrasporto quantistico a lunga distanza (oltre 100 km) è un'area attiva, ma soffre ancora di un problema aperto. qubit di polarizzazione -i migliori vettori per il teletrasporto a bassa velocità su collegamenti in fibra lunga e via etere, ma il protocollo è attualmente probabilistico a causa del rilevamento Bell incompleto.
Sebbene il teletrasporto probabilistico e l'entanglement siano accettabili per problemi come la distillazione dell'entanglement e la crittografia quantistica, questo è chiaramente diverso dalla comunicazione, in cui l'input deve essere completamente preservato.
Se accettiamo questa natura probabilistica, le implementazioni satellitari sono alla portata della tecnologia moderna. Oltre all'integrazione dei metodi di inseguimento, il problema principale sono le elevate perdite causate dalla diffusione del fascio. Questo può essere superato in una configurazione in cui l'entanglement è distribuito dal satellite a telescopi terrestri a grande apertura. Supponendo un'apertura del satellite di 20 cm a 600 km di altitudine e un'apertura del telescopio di 1 m a terra, ci si può aspettare circa 75 dB di perdita in downlink, che è inferiore alla perdita di 80 dB a livello del suolo. Le implementazioni da terra a satellite o da satellite a satellite sono più complesse.
Memoria quantistica
L'uso futuro del teletrasporto come parte di una rete scalabile dipende direttamente dalla sua integrazione con la memoria quantistica. Quest'ultimo dovrebbe avere un'eccellente interfaccia radiazione-materia in termini di efficienza di conversione, precisione di registrazione e lettura, tempo di archiviazione e larghezza di banda, alta velocità e capacità di archiviazione. PrimoA sua volta, ciò consentirà l'uso di relè per estendere la comunicazione ben oltre la trasmissione diretta utilizzando codici di correzione degli errori. Lo sviluppo di una buona memoria quantistica consentirebbe non solo di distribuire l'entanglement sulla rete e le comunicazioni di teletrasporto, ma anche di elaborare le informazioni memorizzate in modo coerente. In definitiva, questo potrebbe trasformare la rete in un computer quantistico distribuito a livello globale o la base per una futura Internet quantistica.
Sviluppi promettenti
Gli insiemi atomici sono stati tradizionalmente considerati attraenti grazie alla loro efficiente conversione da luce a materia e alla loro durata in millisecondi, che può raggiungere i 100 ms necessari per trasmettere la luce su scala globale. Tuttavia, oggi sono attesi sviluppi più promettenti basati su sistemi a semiconduttore, in cui l'eccellente memoria quantistica spin-ensemble è direttamente integrata con l'architettura del circuito QED scalabile. Questa memoria non solo può estendere il tempo di coerenza del circuito QED, ma può anche fornire un'interfaccia ottica-microonde per l'interconversione di fotoni ottica-telecom e microonda chip.
Quindi, è probabile che le future scoperte degli scienziati nel campo dell'Internet quantistica si basino su comunicazioni ottiche a lungo raggio accoppiate con nodi semiconduttori per elaborare le informazioni quantistiche.
