Kuantum ışınlaması, kuantum bilgisindeki en önemli protokollerden biridir. Dolanıklığın fiziksel kaynağına dayanarak, çeşitli bilgi görevlerinin ana unsuru olarak hizmet eder ve kuantum teknolojilerinin önemli bir bileşenidir ve kuantum hesaplama, ağlar ve iletişimin daha da geliştirilmesinde kilit bir rol oynar.
Bilim kurgudan bilim adamlarının keşfine
Kuantum mekaniğinin "tuhaflığının" belki de en ilginç ve heyecan verici sonuçlarından biri olan kuantum ışınlanmanın keşfinden bu yana yirmi yıldan fazla zaman geçti. Bu büyük keşifler yapılmadan önce bu fikir bilim kurgu alanına aitti. İlk olarak 1931'de Charles H. Fort tarafından ortaya atılan "ışınlanma" terimi, o zamandan beri cisimlerin ve nesnelerin, aralarındaki mesafeyi gerçekten kat etmeden bir yerden başka bir yere aktarılma sürecini ifade etmek için kullanılmıştır.
1993'te kuantum bilgi protokolünü açıklayan bir makale yayınlandı. Yukarıda listelenen özelliklerin birçoğunu paylaşan "kuantum ışınlanma". İçinde, fiziksel bir sistemin bilinmeyen durumu ölçülür ve ardından uzak bir yerde yeniden üretilir veya "yeniden birleştirilir" (orijinal sistemin fiziksel öğeleri iletim yerinde kalır). Bu süreç klasik iletişim araçları gerektirir ve FTL iletişimini hariç tutar. Bir karışıklık kaynağına ihtiyacı var. Aslında ışınlanma, dolaşıklığın doğasını en açık şekilde gösteren bir kuantum bilgi protokolü olarak görülebilir: Onun varlığı olmadan, kuantum mekaniğini tanımlayan yasalar çerçevesinde böyle bir iletim durumu mümkün olmazdı.
Teleportasyon, bilgi biliminin gelişmesinde aktif rol oynar. Bir yandan resmi kuantum bilgi teorisinin gelişmesinde belirleyici rol oynayan kavramsal bir protokolken, diğer yandan birçok teknolojinin temel bir bileşenidir. Kuantum tekrarlayıcı, uzun mesafelerde iletişimin önemli bir unsurudur. Kuantum anahtarı ışınlaması, boyut tabanlı bilgi işlem ve kuantum ağlarının tümü bunun türevleridir. Aynı zamanda zaman eğrileri ve kara delik buharlaşmasıyla ilgili "aşırı" fiziği incelemek için basit bir araç olarak kullanılır.
Bugün, kuantum ışınlaması, fotonik kübitler, nükleer manyetik rezonans, optik modlar, atom grupları, kapana kısılmış atomlar veyarı iletken sistemler. Işınlanma menzili alanında olağanüstü sonuçlar elde edildi, uydularla deneyler geliyor. Ayrıca, daha karmaşık sistemlere ölçeklendirme girişimleri başladı.
Kbitlerin ışınlanması
Kuantum ışınlaması ilk olarak kübit adı verilen iki seviyeli sistemler için tanımlandı. Protokol, A ve B olmak üzere 2 kübiti paylaşan Alice ve Bob adlı iki uzak tarafı, saf dolaşmış bir durumda, ayrıca Bell çifti olarak da ele alır. Girişte, Alice'e durumu ρ bilinmeyen başka bir kübit a verilir. Daha sonra Bell algılama adı verilen ortak bir kuantum ölçümü gerçekleştirir. Dört Bell durumundan birine a ve A alır. Sonuç olarak, ölçüm sırasında Alice'in girdi kübitinin durumu kaybolur ve Bob'un B kübiti aynı anda Р†kρP üzerine yansıtılır. k. Protokolün son aşamasında Alice, ölçümünün klasik sonucunu orijinal ρ.'ı geri yüklemek için Pauli operatörünü Pk kullanan Bob'a gönderir.
Alice'in kübitinin ilk durumu bilinmeyen olarak kabul edilir, çünkü aksi takdirde protokol uzak ölçümüne indirgenir. Alternatif olarak, kendisi üçüncü bir tarafla paylaşılan daha büyük bir bileşik sistemin parçası olabilir (bu durumda, başarılı ışınlama, o üçüncü tarafla tüm korelasyonların yeniden üretilmesini gerektirir).
Tipik bir kuantum ışınlanma deneyi, başlangıç durumunun saf olduğunu ve sınırlı bir alfabeye ait olduğunu varsayar.örneğin, Bloch küresinin altı kutbu. Eşevresizliğin varlığında, yeniden oluşturulmuş durumun kalitesi ışınlanma doğruluğu F ∈ [0, 1] ile ölçülebilir. Bu, tüm Bell algılama sonuçları ve orijinal alfabe üzerinden ortalaması alınan Alice ve Bob durumları arasındaki doğruluktur. Düşük doğruluk değerlerinde, bulanık bir kaynak kullanmadan kusurlu ışınlamaya izin veren yöntemler vardır. Örneğin, Alice, ortaya çıkan durumu hazırlaması için sonuçları Bob'a göndererek ilk durumunu doğrudan ölçebilir. Bu ölçüm-hazırlık stratejisine "klasik ışınlanma" denir. Rastgele bir giriş durumu için maksimum Fclass=2/3 kesinliğine sahiptir; bu, bir Bloch küresinin altı kutbu gibi karşılıklı olarak tarafsız durumların alfabesine eşdeğerdir.
Dolayısıyla, kuantum kaynaklarının kullanımının açık bir göstergesi, doğruluk değeridir F> Fclass.
Tek bir kübit değil
Kuantum fiziğine göre ışınlanma kübitlerle sınırlı değildir, çok boyutlu sistemleri içerebilir. Her bir sonlu boyut d için, belirli bir maksimum dolanık durumdan ve bir {Uk} temelinden elde edilebilen, maksimum dolanık durum vektörlerinin bir temeli kullanılarak ideal bir ışınlanma şeması formüle edilebilir. tr(U †j Uk)=dδj, k sağlayan üniter operatörler . Böyle bir protokol, herhangi bir sonlu boyutlu Hilbert için oluşturulabilir.sözde boşluklar. ayrık değişken sistemler.
Ayrıca, kuantum ışınlama, sürekli değişken sistemler olarak adlandırılan sonsuz boyutlu Hilbert uzayına sahip sistemlere de genişletilebilir. Kural olarak, elektrik alanı kareleme operatörleri tarafından tanımlanabilen optik bozonik modlarla gerçekleştirilirler.
Hız ve belirsizlik ilkesi
Kuantum ışınlanmanın hızı nedir? Bilgi, aynı miktardaki klasik aktarım hızına benzer bir hızda iletilir - belki de ışık hızında. Teorik olarak, klasik olanın yapamadığı şekillerde kullanılabilir - örneğin, verilerin yalnızca alıcıya açık olduğu kuantum hesaplamada.
Kuantum ışınlama belirsizlik ilkesini ihlal ediyor mu? Geçmişte, ışınlanma fikri bilim adamları tarafından çok ciddiye alınmadı çünkü herhangi bir ölçüm veya tarama işleminin bir atomun veya başka bir nesnenin tüm bilgilerini çıkarmayacağı ilkesini ihlal ettiği düşünülüyordu. Belirsizlik ilkesine göre, bir nesne ne kadar doğru taranırsa, tarama sürecinden o kadar fazla etkilenir, ta ki nesnenin orijinal durumunun artık elde edilemeyecek derecede ihlal edildiği bir noktaya ulaşılana kadar. tam bir kopya oluşturmak için yeterli bilgi. Bu inandırıcı geliyor: Bir kişi mükemmel bir kopya oluşturmak için bir nesneden bilgi çıkaramazsa, sonuncusu yapılamaz.
Aptallar için kuantum ışınlama
Ancak altı bilim adamı (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez ve William Wuthers), kuantum mekaniğinin Einstein-Podolsky- olarak bilinen ünlü ve paradoksal özelliğini kullanarak bu mantığın etrafından dolaşmanın bir yolunu buldular. Gül etkisi. Işınlanan nesne A'nın bilgilerinin bir kısmını taramanın ve doğrulanmayan parçanın geri kalanını bahsedilen efekt aracılığıyla A ile hiç temas halinde olmayan başka bir nesne C'ye aktarmanın bir yolunu buldular.
Ayrıca, C'ye taranan bilgilere bağlı bir etki uygulayarak, taramadan önce C'yi A durumuna getirebilirsiniz. A'nın kendisi artık aynı durumda değildir, çünkü tarama işlemi tarafından tamamen değiştirilmiştir, dolayısıyla elde edilen şey çoğ altma değil ışınlanmadır.
Menzil için mücadele
- İlk kuantum ışınlanma 1997'de Innsbruck Üniversitesi ve Roma Üniversitesi'nden bilim adamları tarafından neredeyse aynı anda gerçekleştirildi. Deney sırasında, polarizasyona sahip orijinal foton ve dolaşmış foton çiftlerinden biri, ikinci foton orijinalinin polarizasyonunu alacak şekilde değiştirildi. Bu durumda, her iki foton da birbirinden uzaktaydı.
- 2012'de 97 km uzaklıktaki yüksek bir dağ gölünden başka bir kuantum ışınlanma gerçekleşti (Çin, Bilim ve Teknoloji Üniversitesi). Huang Yin liderliğindeki Şanghay'dan bir bilim adamları ekibi, ışını doğru bir şekilde hedeflemeyi mümkün kılan bir hedef arama mekanizması geliştirmeyi başardı.
- Aynı yılın Eylül ayında, 143 km'lik rekor bir kuantum ışınlaması gerçekleştirildi. Avusturya Bilimler Akademisi ve Üniversiteden Avusturyalı bilim adamlarıAnton Zeilinger liderliğindeki Viyana, iki Kanarya Adası La Palma ve Tenerife arasında kuantum durumları başarıyla aktardı. Deney, açık uzayda iki optik iletişim hattı, kuantum ve klasik, frekans ilişkisiz polarizasyon dolaşmış kaynak foton çifti, ultra düşük gürültülü tek foton dedektörleri ve eşleştirilmiş saat senkronizasyonu kullandı.
- 2015'te, ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, optik fiber aracılığıyla ilk kez 100 km'den fazla bir mesafeye bilgi aktardılar. Bu, enstitüde molibden silisitten yapılmış süper iletken nanoteller kullanılarak oluşturulan tek fotonlu dedektörler sayesinde mümkün oldu.
İdeal kuantum sistemi veya teknolojisinin henüz mevcut olmadığı ve geleceğin büyük keşiflerinin henüz gerçekleşmediği açıktır. Yine de, belirli ışınlanma uygulamalarında olası adaylar belirlenmeye çalışılabilir. Uyumlu bir çerçeve ve yöntemler verildiğinde bunların uygun hibridizasyonu, kuantum ışınlanma ve uygulamaları için en umut verici geleceği sağlayabilir.
Kısa mesafeler
Kuantum hesaplama alt sistemi olarak kısa mesafelerde (1 m'ye kadar) ışınlanma, yarı iletken cihazlar için umut vericidir, en iyisi QED şemasıdır. Özellikle, süper iletken transmon kübitler, deterministik ve yüksek hassasiyetli çip üzerinde ışınlamayı garanti edebilir. Ayrıca gerçek zamanlı doğrudan beslemeye izin verirler.fotonik çiplerde sorunlu görünüyor. Ayrıca, kapana kısılmış iyonlar gibi önceki yaklaşımlara kıyasla daha ölçeklenebilir bir mimari ve mevcut teknolojilerin daha iyi entegrasyonunu sağlarlar. Şu anda, bu sistemlerin tek dezavantajı, sınırlı tutarlılık süreleri (<100 µs) gibi görünmektedir. Bu sorun, QED devresini, kuantum veri depolama için uzun bir tutarlılık süresi sağlayabilen yarı iletken spin-toplu bellek hücreleri (nitrojen ikameli boşluklar veya nadir toprak katkılı kristaller ile) ile entegre ederek çözülebilir. Bu uygulama şu anda bilim camiasının yoğun çabasına konu oluyor.
Şehir iletişimi
Şehir ölçeğinde (birkaç kilometre) teleportasyon iletişimi, optik modlar kullanılarak geliştirilebilir. Yeterince düşük kayıplarla, bu sistemler yüksek hızlar ve bant genişliği sağlar. Toplu kuantum belleği ile olası entegrasyon ile masaüstü uygulamalarından hava veya fiber üzerinden çalışan orta menzilli sistemlere genişletilebilirler. Hibrit bir yaklaşımla veya Gauss olmayan süreçlere dayalı iyi tekrarlayıcılar geliştirerek daha uzun mesafeler ancak daha düşük hızlar elde edilebilir.
Uzun mesafeli iletişim
Uzun mesafeli kuantum ışınlanma (100 km'den fazla) aktif bir alandır, ancak yine de açık bir sorundan muzdariptir. Polarizasyon kübitleri -uzun fiber bağlantılar üzerinden ve havadan düşük hızlı teleportasyon için en iyi taşıyıcılardır, ancak eksik Bell algılaması nedeniyle protokol şu anda olasılıklıdır.
Olasılıksal ışınlanma ve karışıklıklar, dolaşıklık distilasyonu ve kuantum kriptografisi gibi sorunlar için kabul edilebilir olsa da, bu, girdinin tamamen korunması gereken iletişimden açıkça farklıdır.
Bu olasılıklı doğayı kabul edersek, uydu uygulamaları modern teknolojinin erişimindedir. Takip yöntemlerinin entegrasyonuna ek olarak, asıl sorun ışın yayılmasından kaynaklanan yüksek kayıplardır. Bu, dolaşıklığın uydudan geniş açıklıklı yer tabanlı teleskoplara dağıtıldığı bir konfigürasyonda üstesinden gelinebilir. 600 km yükseklikte 20 cm'lik bir uydu açıklığı ve yerde 1 m'lik bir teleskop açıklığı varsayıldığında, yer seviyesinde 80 dB'lik kayıptan daha az olan yaklaşık 75 dB aşağı bağlantı kaybı beklenebilir. Yerden uyduya veya uydudan uyduya uygulamalar daha karmaşıktır.
Kuantum bellek
Işınlamanın ölçeklenebilir bir ağın parçası olarak gelecekteki kullanımı, doğrudan kuantum bellekle entegrasyonuna bağlıdır. İkincisi, dönüştürme verimliliği, kayıt ve okuma doğruluğu, depolama süresi ve bant genişliği, yüksek hız ve depolama kapasitesi açısından mükemmel bir radyasyon-madde arayüzüne sahip olmalıdır. BirinciBuna karşılık, bu, rölelerin kullanımına, hata düzeltme kodlarını kullanarak iletişimi doğrudan iletimin çok ötesine genişletmek için izin verecektir. İyi bir kuantum belleğin geliştirilmesi, yalnızca ağ ve teleportasyon iletişimi üzerinden dolaşıklığı dağıtmakla kalmayacak, aynı zamanda saklanan bilgiyi tutarlı bir şekilde işlemeye de izin verecektir. Sonuç olarak, bu, ağı küresel olarak dağıtılmış bir kuantum bilgisayara veya gelecekteki bir kuantum internet için temele dönüştürebilir.
Umut verici gelişmeler
Atomik topluluklar, verimli ışıktan maddeye dönüşümleri ve küresel ölçekte ışığı iletmek için gereken 100 ms kadar yüksek olabilen milisaniye ömürleri nedeniyle geleneksel olarak çekici olarak kabul edilir. Bununla birlikte, mükemmel spin-topluluk kuantum belleğinin doğrudan ölçeklenebilir QED devre mimarisiyle entegre edildiği yarı iletken sistemlere dayanan daha umut verici gelişmeler bekleniyor. Bu bellek yalnızca QED devresinin tutarlılık süresini uzatmakla kalmaz, aynı zamanda optik-telekom ve çip mikrodalga fotonlarının birbirine dönüştürülmesi için bir optik-mikrodalga arabirimi sağlar.
Dolayısıyla, bilim insanlarının kuantum internet alanındaki gelecekteki keşiflerinin, kuantum bilgisini işlemek için yarı iletken düğümlerle birleştirilmiş uzun menzilli optik iletişime dayalı olması muhtemeldir.
