Dịch chuyển lượng tử là một trong những giao thức quan trọng nhất trong thông tin lượng tử. Dựa trên tài nguyên vật lý của sự vướng víu, nó đóng vai trò là yếu tố chính của các nhiệm vụ thông tin khác nhau và là một thành phần quan trọng của công nghệ lượng tử, đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển hơn nữa của tính toán lượng tử, mạng và truyền thông.
Từ khoa học viễn tưởng đến khám phá của các nhà khoa học
Đã hơn hai thập kỷ kể từ khi phát hiện ra dịch chuyển lượng tử, đây có lẽ là một trong những hệ quả thú vị và thú vị nhất của "sự kỳ lạ" của cơ học lượng tử. Trước khi những khám phá vĩ đại này được thực hiện, ý tưởng này thuộc về lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Lần đầu tiên được đặt ra vào năm 1931 bởi Charles H. Fort, thuật ngữ "dịch chuyển tức thời" đã được sử dụng để chỉ quá trình các cơ thể và vật thể được chuyển từ nơi này sang nơi khác mà không thực sự di chuyển khoảng cách giữa chúng.
Năm 1993, một bài báo đã được xuất bản mô tả giao thức thông tin lượng tử, được gọi là"dịch chuyển lượng tử", chia sẻ một số tính năng được liệt kê ở trên. Trong đó, trạng thái chưa biết của một hệ thống vật lý được đo và sau đó được tái tạo hoặc "lắp ráp lại" tại một vị trí ở xa (các phần tử vật lý của hệ thống ban đầu vẫn ở nơi truyền tải). Quá trình này yêu cầu các phương tiện giao tiếp cổ điển và không bao gồm giao tiếp FTL. Nó cần một nguồn lực của sự vướng víu. Trên thực tế, dịch chuyển tức thời có thể được coi là một giao thức thông tin lượng tử thể hiện rõ ràng nhất bản chất của sự vướng víu: nếu không có sự hiện diện của nó, trạng thái truyền như vậy sẽ không thể thực hiện được trong khuôn khổ của các định luật mô tả cơ học lượng tử.
Dịch chuyển đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của khoa học thông tin. Một mặt, nó là một giao thức khái niệm đóng một vai trò quyết định trong sự phát triển của lý thuyết thông tin lượng tử chính thức, và mặt khác, nó là thành phần cơ bản của nhiều công nghệ. Bộ lặp lượng tử là một yếu tố quan trọng của liên lạc trong khoảng cách dài. Dịch chuyển chuyển đổi lượng tử, tính toán dựa trên thứ nguyên và mạng lượng tử đều là các dẫn xuất của nó. Nó cũng được sử dụng như một công cụ đơn giản để nghiên cứu vật lý "cực đoan" liên quan đến đường cong thời gian và sự bay hơi của lỗ đen.
Ngày nay, dịch chuyển lượng tử đã được xác nhận trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới sử dụng nhiều chất nền và công nghệ khác nhau, bao gồm qubit quang tử, cộng hưởng từ hạt nhân, chế độ quang học, nhóm nguyên tử, nguyên tử bị mắc kẹt, vàhệ thống bán dẫn. Các kết quả nổi bật đã đạt được trong lĩnh vực dịch chuyển phạm vi, các thí nghiệm với vệ tinh đang được tiến hành. Ngoài ra, các nỗ lực đã bắt đầu mở rộng quy mô lên các hệ thống phức tạp hơn.
Dịch chuyển qubit
Dịch chuyển lượng tử lần đầu tiên được mô tả cho các hệ thống hai cấp, cái gọi là qubit. Giao thức coi hai bên ở xa nhau, được gọi là Alice và Bob, chia sẻ 2 qubit, A và B, ở trạng thái vướng víu thuần túy, còn được gọi là cặp Bell. Ở đầu vào, Alice được cấp cho một qubit a khác, trạng thái ρ chưa được biết. Sau đó, cô ấy thực hiện một phép đo lượng tử chung được gọi là phát hiện Bell. Nó mất a và A đến một trong bốn trạng thái Bell. Kết quả là trạng thái của qubit đầu vào của Alice biến mất trong quá trình đo và qubit B của Bob đồng thời được chiếu lên Р†kρP k. Ở giai đoạn cuối của giao thức, Alice gửi kết quả cổ điển của phép đo của cô ấy cho Bob, người sử dụng toán tử Pauli Pkđể khôi phục ρ.ban đầu
Trạng thái ban đầu của qubit của Alice được coi là không xác định, bởi vì nếu không thì giao thức bị giảm thành phép đo từ xa của nó. Ngoài ra, bản thân nó có thể là một phần của hệ thống tổng hợp lớn hơn được chia sẻ với bên thứ ba (trong trường hợp đó, dịch chuyển thành công yêu cầu tái tạo tất cả các mối tương quan với bên thứ ba đó).
Một thí nghiệm dịch chuyển lượng tử điển hình giả định trạng thái ban đầu là nguyên chất và thuộc một bảng chữ cái hạn chế,ví dụ, sáu cực của hình cầu Bloch. Khi có sự suy giảm liên kết, chất lượng của trạng thái được tái tạo có thể được định lượng bằng độ chính xác dịch chuyển F ∈ [0, 1]. Đây là độ chính xác giữa các trạng thái của Alice và Bob, được tính trung bình trên tất cả các kết quả phát hiện Bell và bảng chữ cái gốc. Ở các giá trị độ chính xác thấp, có những phương pháp cho phép dịch chuyển không hoàn hảo mà không cần sử dụng tài nguyên bị xáo trộn. Ví dụ, Alice có thể đo trực tiếp trạng thái ban đầu của mình bằng cách gửi kết quả cho Bob để chuẩn bị trạng thái kết quả. Chiến lược chuẩn bị đo lường này được gọi là "dịch chuyển cổ điển". Nó có độ chính xác tối đa là Fclass=2/3 cho trạng thái đầu vào tùy ý, tương đương với bảng chữ cái gồm các trạng thái không thiên vị lẫn nhau, chẳng hạn như sáu cực của hình cầu Bloch.
Vì vậy, một dấu hiệu rõ ràng về việc sử dụng tài nguyên lượng tử là giá trị độ chính xác F> Fclass.
Không một qubit nào
Theo vật lý lượng tử, dịch chuyển tức thời không giới hạn ở qubit, nó có thể bao gồm các hệ thống đa chiều. Đối với mỗi chiều hữu hạn d, người ta có thể xây dựng một sơ đồ dịch chuyển lý tưởng bằng cách sử dụng cơ sở là vectơ trạng thái vướng cực đại, có thể nhận được từ một trạng thái vướng cực đại cho trước và cơ sở {Uk } của toán tử đơn nhất thỏa mãn tr (U†jUk)=dδj, k. Một giao thức như vậy có thể được xây dựng cho bất kỳ Hilbert chiều hữu hạn nàokhông gian của cái gọi là. hệ thống biến rời rạc.
Bên cạnh đó, dịch chuyển lượng tử cũng có thể được mở rộng cho các hệ thống có không gian Hilbert chiều vô hạn, được gọi là các hệ thống biến đổi liên tục. Theo quy luật, chúng được thực hiện bằng các chế độ bosonic quang học, trường điện trong đó có thể được mô tả bằng các toán tử cầu phương.
Nguyên tắc tốc độ và bất định
Tốc độ của dịch chuyển lượng tử là bao nhiêu? Thông tin được truyền với tốc độ tương tự như tốc độ truyền tương tự - có lẽ là tốc độ ánh sáng. Về mặt lý thuyết, nó có thể được sử dụng theo những cách mà phương pháp cổ điển không thể - ví dụ, trong tính toán lượng tử, nơi dữ liệu chỉ có sẵn cho người nhận.
Dịch chuyển lượng tử có vi phạm nguyên lý bất định không? Trước đây, ý tưởng về dịch chuyển không được các nhà khoa học coi trọng vì nó bị cho là vi phạm nguyên tắc rằng bất kỳ quá trình đo lường hay quét nào sẽ không trích xuất được tất cả thông tin của một nguyên tử hoặc vật thể khác. Theo nguyên lý bất định, đối tượng càng được quét chính xác thì quá trình quét càng bị ảnh hưởng nhiều hơn, cho đến khi đạt đến một điểm mà trạng thái ban đầu của đối tượng bị vi phạm đến mức không thể lấy được nữa. đủ thông tin để tạo một bản sao chính xác. Điều này nghe có vẻ thuyết phục: nếu một người không thể trích xuất thông tin từ một đối tượng để tạo ra một bản sao hoàn hảo, thì cái cuối cùng sẽ không thể được tạo ra.
Dịch chuyển lượng tử cho hình nộm
Nhưng sáu nhà khoa học (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez và William Wuthers) đã tìm ra cách giải quyết logic này bằng cách sử dụng tính năng nghịch lý và nổi tiếng của cơ học lượng tử được gọi là Einstein-Podolsky- Hiệu ứng Rosen. Họ đã tìm ra cách quét một phần thông tin của vật thể A được dịch chuyển và chuyển phần còn lại của phần chưa được xác minh thông qua hiệu ứng đã đề cập đến một vật thể C khác, vật thể chưa bao giờ tiếp xúc với A.
Hơn nữa, bằng cách áp dụng cho C một ảnh hưởng phụ thuộc vào thông tin được quét, bạn có thể đưa C vào trạng thái A trước khi quét. Bản thân A không còn ở trạng thái cũ nữa, vì nó đã bị thay đổi hoàn toàn bởi quá trình quét, vì vậy những gì đạt được là dịch chuyển tức thời chứ không phải sao chép.
Đấu tranh cho phạm vi
- Dịch chuyển lượng tử đầu tiên được thực hiện gần như đồng thời vào năm 1997 bởi các nhà khoa học từ Đại học Innsbruck và Đại học Rome. Trong quá trình thí nghiệm, photon ban đầu, có sự phân cực và một trong các cặp photon vướng víu, đã được thay đổi theo cách sao cho photon thứ hai nhận được sự phân cực của photon ban đầu. Trong trường hợp này, cả hai photon đều ở khoảng cách xa nhau.
- Năm 2012, một cuộc dịch chuyển lượng tử khác đã diễn ra (Trung Quốc, Đại học Khoa học và Công nghệ) qua một hồ trên núi cao ở khoảng cách 97 km. Một nhóm các nhà khoa học từ Thượng Hải, do Huang Yin dẫn đầu, đã tìm cách phát triển một cơ chế di chuyển để có thể nhắm chính xác chùm tia.
- Vào tháng 9 cùng năm, một dịch chuyển lượng tử kỷ lục dài 143 km đã được thực hiện. Các nhà khoa học Áo từ Học viện Khoa học Áo và Đại họcVienna, do Anton Zeilinger lãnh đạo, đã chuyển giao thành công trạng thái lượng tử giữa hai quần đảo Canary là La Palma và Tenerife. Thí nghiệm sử dụng hai đường liên lạc quang học trong không gian mở, lượng tử và cổ điển, cặp photon nguồn vướng víu phân cực không tương quan tần số, bộ dò photon đơn nhiễu cực thấp và đồng bộ hóa đồng hồ ghép nối.
- Năm 2015, các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ lần đầu tiên truyền thông tin trên khoảng cách hơn 100 km qua cáp quang. Điều này trở nên khả thi nhờ các máy dò photon đơn được tạo ra tại viện nghiên cứu, sử dụng các dây nano siêu dẫn làm bằng molypden silicide.
Rõ ràng là hệ thống hay công nghệ lượng tử lý tưởng vẫn chưa tồn tại và những khám phá vĩ đại của tương lai vẫn chưa đến. Tuy nhiên, người ta có thể cố gắng xác định các ứng cử viên có thể có trong các ứng dụng cụ thể của dịch chuyển tức thời. Sự kết hợp phù hợp giữa những thứ này, với một khuôn khổ và phương pháp tương thích, có thể mang lại tương lai hứa hẹn nhất cho dịch chuyển lượng tử và các ứng dụng của nó.
Khoảng cách ngắn
Dịch chuyển trong khoảng cách ngắn (lên đến 1 m) như một hệ thống con tính toán lượng tử đầy hứa hẹn cho các thiết bị bán dẫn, trong đó tốt nhất là sơ đồ QED. Đặc biệt, các qubit chuyển tiếp siêu dẫn có thể đảm bảo dịch chuyển tức thời trên chip có độ chính xác cao và xác định. Họ cũng cho phép nguồn cấp dữ liệu trực tiếp theo thời gian thực,trông có vấn đề trên chip quang tử. Ngoài ra, chúng cung cấp một kiến trúc có khả năng mở rộng hơn và tích hợp tốt hơn các công nghệ hiện có so với các cách tiếp cận trước đây như các ion bị mắc kẹt. Hiện tại, hạn chế duy nhất của các hệ thống này là thời gian kết hợp hạn chế của chúng (<100 µs). Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách tích hợp mạch QED với các tế bào nhớ tổ hợp spin bán dẫn (với các vị trí trống được thay thế bằng nitơ hoặc các tinh thể pha tạp đất hiếm), có thể cung cấp thời gian gắn kết lâu dài cho việc lưu trữ dữ liệu lượng tử. Việc thực hiện này hiện đang là chủ đề của nhiều nỗ lực từ cộng đồng khoa học.
Thànhgiao
Liên lạc dịch chuyển trên quy mô thành phố (vài km) có thể được phát triển bằng cách sử dụng các chế độ quang học. Với mức suy hao đủ thấp, các hệ thống này cung cấp tốc độ và băng thông cao. Chúng có thể được mở rộng từ việc triển khai máy tính để bàn đến các hệ thống tầm trung hoạt động qua không khí hoặc cáp quang, với khả năng tích hợp với bộ nhớ lượng tử tổng hợp. Có thể đạt được khoảng cách xa hơn nhưng tốc độ thấp hơn với phương pháp kết hợp hoặc bằng cách phát triển các bộ lặp tốt dựa trên các quy trình không phải của Gauss.
Liên lạc đường dài
Dịch chuyển lượng tử đường dài (trên 100 km) là một khu vực đang hoạt động, nhưng vẫn gặp sự cố mở. Qubit phân cực -các nhà cung cấp dịch vụ tốt nhất để dịch chuyển tốc độ thấp qua các liên kết sợi dài và qua không khí, nhưng giao thức hiện đang mang tính xác suất do phát hiện Bell không đầy đủ.
Mặc dù dịch chuyển xác suất và các vướng mắc có thể chấp nhận được đối với các vấn đề như chưng cất vướng víu và mật mã lượng tử, điều này rõ ràng khác với giao tiếp, trong đó đầu vào phải được bảo toàn hoàn toàn.
Nếu chúng ta chấp nhận tính chất xác suất này, thì việc triển khai vệ tinh nằm trong tầm với của công nghệ hiện đại. Ngoài việc tích hợp các phương pháp theo dõi, vấn đề chính là tổn thất cao do lan truyền chùm tia gây ra. Điều này có thể được khắc phục trong một cấu hình mà sự vướng víu được phân bổ từ vệ tinh đến các kính thiên văn trên mặt đất khẩu độ lớn. Giả sử khẩu độ vệ tinh là 20 cm ở độ cao 600 km và khẩu độ kính thiên văn 1 m trên mặt đất, có thể dự kiến khoảng 75 dB suy hao đường xuống, thấp hơn mức suy hao 80 dB ở mặt đất. Việc triển khai từ mặt đất đến vệ tinh hoặc từ vệ tinh với vệ tinh phức tạp hơn.
Bộ nhớ lượng tử
Việc sử dụng dịch chuyển tức thời trong tương lai như một phần của mạng có thể mở rộng trực tiếp phụ thuộc vào sự tích hợp của nó với bộ nhớ lượng tử. Loại thứ hai phải có giao diện bức xạ thành vật chất tuyệt vời về hiệu quả chuyển đổi, độ chính xác ghi và đọc, thời gian lưu trữ và băng thông, tốc độ cao và dung lượng lưu trữ. Ngày thứ nhấtĐổi lại, điều này sẽ cho phép sử dụng rơ le để mở rộng giao tiếp vượt xa việc truyền trực tiếp bằng cách sử dụng mã sửa lỗi. Sự phát triển của một bộ nhớ lượng tử tốt sẽ không chỉ cho phép phân phối sự vướng víu qua mạng và liên lạc dịch chuyển, mà còn có thể xử lý thông tin được lưu trữ một cách mạch lạc. Cuối cùng, điều này có thể biến mạng thành một máy tính lượng tử phân tán toàn cầu hoặc cơ sở cho một internet lượng tử trong tương lai.
Những bước phát triển đầy hứa hẹn
Các quần thể nguyên tử theo truyền thống được coi là hấp dẫn do khả năng chuyển đổi ánh sáng thành vật chất hiệu quả và thời gian sống một phần nghìn giây của chúng, có thể cao tới 100ms cần thiết để truyền ánh sáng trên quy mô toàn cầu. Tuy nhiên, những phát triển hứa hẹn hơn ngày nay được mong đợi dựa trên các hệ thống bán dẫn, nơi bộ nhớ lượng tử tổ hợp spin tuyệt vời được tích hợp trực tiếp với kiến trúc mạch QED có thể mở rộng. Bộ nhớ này không chỉ có thể kéo dài thời gian gắn kết của mạch QED mà còn cung cấp giao diện quang-vi ba để chuyển đổi lẫn nhau giữa quang-viễn thông và vi ba photon.
Vì vậy, những khám phá trong tương lai của các nhà khoa học trong lĩnh vực internet lượng tử có khả năng dựa trên giao tiếp quang học tầm xa kết hợp với các nút bán dẫn để xử lý thông tin lượng tử.
