Квантовая телепортация: великие открытия ученых-физиков

Квантовая телепортация является одним из наиболее важных протоколов в квантовой информации. Основываясь на физическом ресурсе запутанности, она служит главным элементом различных информационных задач и представляет собой важную составную часть квантовых технологий, играя ключевую роль в дальнейшем развитии квантовых вычислений, сетей и коммуникации.

От научной фантастики до открытия ученых

Прошло уже более двух десятилетий с момента открытия квантовой телепортации, которая, возможно, является одним из самых интересных и захватывающих следствий «странности» квантовой механики. До того как были сделаны эти великие открытия, данная идея принадлежала области научной фантастики. Впервые придуманный в 1931 г. Чарльзом Х. Фортом термин «телепортация» с тех пор используется для обозначения процесса, посредством которого тела и объекты передаются из одного места в другое, на самом деле не преодолевая расстояние между ними.

В 1993 году была опубликована статья с описанием протокола квантовой информации, получившего название «квантовая телепортация», который разделил несколько из перечисленных выше признаков. В нем неизвестное состояние физической системы измеряется и впоследствии воспроизводится или «повторно собирается» в удаленном месте (физические элементы исходной системы остаются в месте передачи). Этот процесс требует классических средств связи и исключает сверхсветовую коммуникацию. Для него необходим ресурс запутанности. На самом деле телепортацию можно рассматривать как протокол квантовой информации, который наиболее четко демонстрирует характер запутанности: без его присутствия такое состояние передачи не было бы возможным в рамках законов, которыми описывается квантовая механика.

Телепортация играет активную роль в развитии науки об информации. С одной стороны, это концептуальный протокол, играющий решающую роль в развитии формальной квантовой теории информации, а с другой он является фундаментальной составляющей многих технологий. Квантовый повторитель – ключевой элемент коммуникации на большие расстояния. Телепортация квантовых переключателей, вычисления на основе измерений и квантовые сети – все являются ее производными. Она используется и в качестве простого инструмента для изучения «экстремальной» физики, касающейся временных кривых и испарения черных дыр.

Сегодня квантовая телепортация подтверждена в лабораториях во всем мире с использованием множества различных субстратов и технологий, в том числе фотонных кубитов, ядерного магнитного резонанса, оптических мод, групп атомов, захваченных атомов и полупроводниковых систем. Выдающиеся результаты были достигнуты в области дальности телепортации, предстоят эксперименты со спутниками. Кроме того, начались попытки масштабирования до более сложных систем.

Телепортация кубитов

Квантовая телепортация была впервые описана для двухуровневых систем, так называемых кубитов. Протокол рассматривает две удаленные стороны, именуемые Алисой и Бобом, которые разделяют 2 кубита, А и В, находящиеся в чистом запутанном состоянии, также называемые парой Белла. На входе Алисе дается еще один кубит а, чье состояние ρ неизвестно. Затем она выполняет совместное квантовое измерение, называемое обнаружением Белла. Оно переносит а и А в одно из четырех состояний Белла. В результате состояние входного кубита Алисы при измерении исчезает, а кубит Боба B одновременно проецируется на Р^†_kρP_k. На последнем этапе протокола Алиса передает классический результат ее измерения Бобу, который применяет оператор Паули P_k для восстановления исходного ρ.

Начальное состояние кубита Алисы считается неизвестным, так как в противном случае протокол сводится к его удаленному измерению. Кроме того, оно само по себе может быть частью более крупной составной системы, разделенной с третьей стороной (в этом случае успешная телепортация требует воспроизведения всех корреляций с этой третьей стороной).

Типичный эксперимент по квантовой телепортации принимает исходное состояние чистым и принадлежащим к ограниченному алфавиту, например, шести полюсам сферы Блоха. В присутствии декогеренции качество реконструированного состояния может быть количественно выражено точностью телепортации F ∈ [0, 1]. Это точность между состояниями Алисы и Боба, усредненные по всем результатами обнаружения Белла и исходному алфавиту. При малых значениях точности существуют методы, позволяющие провести несовершенную телепортацию без использования запутанного ресурса. Например, Алиса может напрямую измерить свое исходное состояние, посылая результаты Бобу для подготовки результирующего состояния. Такую стратегию измерения-подготовки называют «классической телепортацией». Она имеет максимальную точность F_class = 2/3 для произвольного входного состояния, что эквивалентно алфавиту взаимно несмещенных состояний, таких как шесть полюсов сферы Блоха.

Таким образом, четким признаком использования квантовых ресурсов является значение точности F> F_class.

Не кубитом единым

Как утверждает квантовая физика, телепортация не ограничивается кубитами, она может включать многомерные системы. Для каждого конечного измерения d можно сформулировать идеальную схему телепортации, используя базис максимально запутанных векторов состояния, который может быть получен из заданного максимально запутанного состояния и базиса {U_k} унитарных операторов, удовлетворяющих tr(U^†_j U_k) = dδ_j,k. Такой протокол можно построить для любого конечноразмерного гильбертового пространства т. н. дискретно-переменных систем.

Кроме того, квантовая телепортация может распространяться и на системы с бесконечномерным гильбертовым пространством, называемыми непрерывно-переменными системами. Как правило, они реализуются оптическими бозонными модами, электрическое поле которых можно описать квадратурными операторами.

Скорость и принцип неопределенности

Какова скорость при квантовой телепортации? Информация передается на скорости, аналогичной скорости передачи того же количества классической – возможно, со скоростью света. Теоретически она может быть использована таким образом, каким классическая не может – например, в квантовых вычислениях, где данные доступны только получателю.

Нарушает ли квантовая телепортация принцип неопределенности? В прошлом идея телепортации не очень серьезно воспринималась учеными, потому что считалось, что она нарушает принцип, запрещающий любому измерительному или сканирующему процессу извлекать всю информацию атома или другого объекта. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее объект сканируется, тем больше на него влияет процесс сканирования, пока не будет достигнута точка, когда исходное состояние объекта нарушится до такой степени, что больше нельзя будет получить достаточного количества информации для создания точной копии. Это звучит убедительно: если человек не может извлечь сведения из объекта для создания идеальной копии, то последняя сделана быть не может.

Квантовая телепортация для чайников

Но шесть ученых (Чарльз Беннет, Жиль Брассар, Клод Крепо, Ричард Джоса, Ашер Перес и Уильям Вутерс) нашли способ обойти эту логику, используя знаменитую и парадоксальную особенность квантовой механики, известную как эффект Эйнштейна-Подольского-Розена. Они нашли способ отсканировать часть информации телепортируемого объекта А, а остальную непроверенную часть посредством упомянутого эффекта передать другому объекту С, в контакте с А никогда не пребывавшему.

В дальнейшем, путем применения к C воздействия, зависящего от отсканированной информации, можно ввести С в состояние А до сканирования. Сам А уже не в том состоянии, так как полностью изменен процессом сканирования, поэтому достигнутое является телепортацией, а не репликацией.

Борьба за дальность

• Первая квантовая телепортация была проведена в 1997 г. почти одновременно учеными из Университета Инсбрука и Университета Рима. Во время эксперимента исходный фотон, обладающий поляризацией, и один из пары запутанных фотонов подверглись изменению таким образом, что второй фотон получил поляризацию исходного. При этом оба фотона находились на расстоянии друг от друга.
• В 2012 г. состоялась очередная квантовая телепортация (Китай, Университет науки и технологии) через высокогорное озеро на расстояние 97 км. Команде ученых из Шанхая во главе с Хуаном Иинем удалось разработать наводящий механизм, который позволил точно нацелить пучок.
• В сентябре того же года была проведена рекордная квантовая телепортация на 143 км. Австрийские ученые из Академии наук Австрии и Университета Вены под руководством Антона Цайлингера успешно передали квантовые состояния между двумя Канарскими островами Ла Палма и Тенерифе. В эксперименте использовались две оптические линии связи на открытом пространстве, квантумная и классическая, частотно некоррелированная поляризационно запутанная пара фотонов-источников, сверхнизкошумные однофотонные детекторы и сцепленная тактовая синхронизация.
• В 2015 г. исследователи из американского Национального института стандартов и технологии впервые произвели передачу информации на расстояние более 100 км по оптоволокну. Это стало возможным благодаря созданным в институте однофотонным детекторам, использующим сверхпроводящие нанопровода из силицида молибдена.

Понятно, что идеальной квантовой системы или технологии пока не существует и великие открытия будущего еще впереди. Тем не менее можно попытаться определить возможных кандидатов в конкретных областях применения телепортации. Подходящая их гибридизация при условии совместимой базы и методов может обеспечить наиболее перспективное будущее для квантовой телепортации и ее применений.

Короткие дистанции

Телепортация на короткие расстояния (до 1 м) как подсистема квантовых вычислений перспективна на полупроводниковых устройствах, лучшим из которых является схема QED. В частности, сверхпроводящие трансмоновые кубиты могут гарантировать детерминированную и высокоточную телепортацию на чипе. Они также позволяют прямую подачу в режиме реального времени, которая выглядит проблематичной на фотонных чипах. К тому же они обеспечивают более масштабируемую архитектуру и лучшую интеграцию существующих технологий по сравнению с предыдущими подходами, такими как захваченные ионы. В настоящее время единственным недостатком этих систем, по-видимому, является их ограниченное время когерентности (<100 мкс). Эта проблема может быть решена с помощью интегрирования схемы QED с полупроводниковыми спин-ансамблевыми ячейками памяти (с азотно-замещенными вакансиями или легированными редкоземельными элементами кристаллами), которые могут обеспечить длительное время когерентности для квантового хранения данных. В настоящее время данная реализация является предметом приложения больших усилий научного сообщества.

Городская связь

Телепортационная связь в масштабе города (несколько километров) могла бы разрабатываться с использованием оптических мод. При достаточно низких потерях эти системы обеспечивают высокие скорости и ширину полосы. Они могут быть расширены от настольных реализаций до систем средней дальности, действующих через эфир или оптоволокно, с возможной интеграцией с ансамблевой квантовой памятью. Более дальние расстояния, но с более низкими скоростями могут быть достигнуты с помощью гибридного подхода или путем разработки хороших ретрансляторов, основанных на негауссовских процессах.

Дальняя связь

Междугородняя квантовая телепортация (более 100 км) является активной областью, но по-прежнему страдает от открытой проблемы. Кубиты поляризации – лучшие носители для низкоскоростной телепортации по длинным оптоволоконным линиям связи и через эфир, но в настоящее время протокол является вероятностным из-за неполного обнаружения Белла.

Хотя вероятностная телепортация и запутанности приемлемы для таких задач, как дистилляция запутывания и квантовая криптография, но это явно отличается от коммуникации, в которой входная информация должны быть полностью сохранена.

Если принять этот вероятностный характер, то спутниковые реализации находятся в пределах досягаемости современных технологий. Кроме интеграции методов отслеживания, основной проблемой становятся высокие потери, вызванные расплыванием пучка. Это может быть преодолено в конфигурации, где запутанность распределена от спутника до наземных телескопов с большой апертурой. Предполагая апертуру спутника в 20 см при 600-км высоте и 1-м диафрагму телескопа на земле, можно ожидать около 75 дБ потерь в канале нисходящей линии связи, что меньше, чем 80 дБ потерь на уровне земли. Реализации «земля-спутник» или «спутник-спутник» являются более сложными.

Квантовая память

Будущее использование телепортации в качестве составной части масштабируемой сети прямо зависит от ее интеграции с квантовой памятью. Последняя должна обладать превосходным, с точки зрения эффективности конверсии, интерфейсом «излучение-материя», точностью записи и считывания, временем хранения и пропускной способностью, высокой скоростью и емкостью запоминающего устройства. В первую очередь это позволит использовать ретрансляторы для расширения коммуникации далеко за рамки прямой передачи с использованием кодов коррекции ошибок. Развитие хорошей квантовой памяти позволило бы не только распределить запутывание по сети и телепортационную коммуникацию, но и связно обрабатывать хранимую информацию. В конечном итоге, это может превратить сеть во всемирно распределенный квантовый компьютер или основу для будущего квантового интернета.

Перспективные разработки

Атомные ансамбли традиционно считались привлекательными из-за их эффективного преобразования «свет-материя» и их миллисекундных сроков хранения, которые могут достигать 100 мс, необходимых для передачи света в глобальном масштабе. Тем не менее более перспективные разработки сегодня ожидаются на основе полупроводниковых систем, где отличная спин-ансамблевая квантовая память прямо интегрируется с масштабируемой архитектурой схемы QED. Эта память не только может продлить время когерентности цепи QED, но и обеспечить оптико-микроволновой интерфейс для взаимопревращения оптико-телекоммуникационных и чиповых микроволновых фотонов.

Таким образом, будущие открытия ученых в области квантового интернета, вероятно, будут основаны на дальней оптической связи, сопряженной с полупроводниковыми узлами для обработки квантовой информации.