კვანტური ტელეპორტაცია არის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი პროტოკოლი კვანტურ ინფორმაციაში. ჩახლართულობის ფიზიკურ რესურსზე დაფუძნებული, იგი ემსახურება როგორც სხვადასხვა საინფორმაციო ამოცანების ძირითად ელემენტს და წარმოადგენს კვანტური ტექნოლოგიების მნიშვნელოვან კომპონენტს, რომელიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებს კვანტური გამოთვლის, ქსელებისა და კომუნიკაციის შემდგომ განვითარებაში.
მეცნიერული ფანტასტიკიდან მეცნიერთა აღმოჩენამდე
2 ათწლეულზე მეტი გავიდა კვანტური ტელეპორტაციის აღმოჩენიდან, რაც, ალბათ, კვანტური მექანიკის "უცნაურობის" ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო და ამაღელვებელი შედეგია. სანამ ეს დიდი აღმოჩენები მოხდებოდა, ეს იდეა სამეცნიერო ფანტასტიკის სფეროს ეკუთვნოდა. პირველად ჩარლზ ჰ. ფორტის მიერ 1931 წელს დანერგილი ტერმინი „ტელეპორტაცია“მას შემდეგ გამოიყენებოდა იმ პროცესის აღსანიშნავად, რომლითაც სხეულები და საგნები გადადიან ერთი ადგილიდან მეორეზე, მათ შორის მანძილის გავლის გარეშე.
1993 წელს გამოქვეყნდა სტატია, რომელშიც აღწერილი იყო კვანტური ინფორმაციის პროტოკოლი, ე.წ."კვანტური ტელეპორტაცია", რომელიც იზიარებდა ზემოთ ჩამოთვლილ რამდენიმე მახასიათებელს. მასში გაზომილია ფიზიკური სისტემის უცნობი მდგომარეობა და შემდგომში რეპროდუცირება ან „აწყობა“შორეულ ადგილას (პირველი სისტემის ფიზიკური ელემენტები რჩება გადაცემის ადგილზე). ეს პროცესი მოითხოვს კომუნიკაციის კლასიკურ საშუალებებს და გამორიცხავს FTL კომუნიკაციას. მას სჭირდება ჩახლართული რესურსი. სინამდვილეში, ტელეპორტაცია შეიძლება ჩაითვალოს როგორც კვანტური ინფორმაციის პროტოკოლი, რომელიც ყველაზე ნათლად ასახავს ჩახლართულ ბუნებას: მისი არსებობის გარეშე გადაცემის ასეთი მდგომარეობა შეუძლებელი იქნებოდა იმ კანონების ფარგლებში, რომლებიც აღწერს კვანტურ მექანიკას.
ტელეპორტაცია აქტიურ როლს თამაშობს საინფორმაციო მეცნიერების განვითარებაში. ერთის მხრივ, ეს არის კონცეპტუალური პროტოკოლი, რომელიც გადამწყვეტ როლს თამაშობს ფორმალური კვანტური ინფორმაციის თეორიის განვითარებაში, ხოლო მეორეს მხრივ, მრავალი ტექნოლოგიის ფუნდამენტური კომპონენტია. კვანტური გამეორება არის შორ მანძილზე კომუნიკაციის ძირითადი ელემენტი. კვანტური გადამრთველი ტელეპორტაცია, განზომილებაზე დაფუძნებული გამოთვლა და კვანტური ქსელები მისი წარმოებულებია. იგი ასევე გამოიყენება, როგორც მარტივი ინსტრუმენტი "ექსტრემალური" ფიზიკის შესასწავლად დროის მრუდებისა და შავი ხვრელის აორთქლების შესახებ.
დღეს კვანტური ტელეპორტაცია დადასტურდა ლაბორატორიებში მთელს მსოფლიოში მრავალი განსხვავებული სუბსტრატისა და ტექნოლოგიის გამოყენებით, მათ შორის ფოტონიკური კუბიტები, ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი, ოპტიკური რეჟიმები, ატომების ჯგუფები, ხაფანგში მყოფი ატომები დანახევარგამტარული სისტემები. შესანიშნავი შედეგები იქნა მიღწეული ტელეპორტაციის დიაპაზონის სფეროში, მოდის ექსპერიმენტები თანამგზავრებთან. გარდა ამისა, დაწყებულია მცდელობები უფრო რთულ სისტემებზე გაზრდის მიზნით.
კუბიტების ტელეპორტაცია
კვანტური ტელეპორტაცია პირველად აღწერილი იყო ორ დონის სისტემებისთვის, ე.წ. პროტოკოლი განიხილავს ორ შორეულ მხარეს, სახელად ალისა და ბობ, რომლებიც იზიარებენ 2 კუბიტს, A და B, სუფთა ჩახლართულ მდგომარეობაში, რომელსაც ასევე უწოდებენ Bell წყვილს. შეყვანისას ალისას ეძლევა კიდევ ერთი კუბიტი a, რომლის მდგომარეობა ρ უცნობია. შემდეგ ის ახორციელებს ერთობლივ კვანტურ გაზომვას, სახელწოდებით Bell Detection. ის იღებს a და A-ს ოთხი Bell მდგომარეობიდან ერთ-ერთს. შედეგად, ალისის შეყვანის კუბიტის მდგომარეობა ქრება გაზომვის დროს და ბობის B კუბიტი ერთდროულად პროეცირდება Р†kρP k. პროტოკოლის ბოლო ეტაპზე ალისა უგზავნის თავისი გაზომვის კლასიკურ შედეგს ბობს, რომელიც იყენებს პაულის ოპერატორს Pk ორიგინალური ρ-ის აღსადგენად..
ალისის კუბიტის საწყისი მდგომარეობა უცნობია, რადგან წინააღმდეგ შემთხვევაში პროტოკოლი მცირდება მის დისტანციურ გაზომვამდე. ალტერნატიულად, ის შეიძლება იყოს უფრო დიდი კომპოზიტური სისტემის ნაწილი, რომელიც გაზიარებულია მესამე მხარესთან (ამ შემთხვევაში, წარმატებული ტელეპორტაცია მოითხოვს ამ მესამე მხარესთან ყველა კორელაციის რეპროდუცირებას).
ტიპიური კვანტური ტელეპორტაციის ექსპერიმენტი ვარაუდობს, რომ საწყისი მდგომარეობა არის სუფთა და მიეკუთვნება შეზღუდულ ანბანს,მაგალითად, ბლოხის სფეროს ექვსი პოლუსი. დეკოჰერენტობის არსებობისას, რეკონსტრუქციული მდგომარეობის ხარისხი შეიძლება განისაზღვროს ტელეპორტაციის სიზუსტით F ∈ [0, 1]. ეს არის სიზუსტე ალისისა და ბობის მდგომარეობებს შორის, საშუალოდ გამოითვლება ზარის გამოვლენის ყველა შედეგისა და ორიგინალური ანბანის მიხედვით. დაბალი სიზუსტის მნიშვნელობებზე, არსებობს მეთოდები, რომლებიც არასრულყოფილ ტელეპორტაციას საშუალებას აძლევს დაბინდული რესურსის გამოყენების გარეშე. მაგალითად, ალისს შეუძლია პირდაპირ გაზომოს მისი საწყისი მდგომარეობა, შედეგების გაგზავნით ბობს, რათა მოამზადოს მიღებული მდგომარეობა. გაზომვა-მომზადების ამ სტრატეგიას „კლასიკური ტელეპორტაცია“ეწოდება. მას აქვს მაქსიმალური სიზუსტე Fკლასი=2/3 თვითნებური შეყვანის მდგომარეობისთვის, რაც უდრის ორმხრივად მიუკერძოებელი მდგომარეობების ანბანს, როგორიცაა ბლოხის სფეროს ექვსი პოლუსი.
ამგვარად, კვანტური რესურსების გამოყენების აშკარა მითითება არის სიზუსტის მნიშვნელობა F> Fკლასი.
არც ერთი კუბიტი
კვანტური ფიზიკის მიხედვით, ტელეპორტაცია არ შემოიფარგლება კუბიტებით, ის შეიძლება მოიცავდეს მრავალგანზომილებიან სისტემებს. თითოეული სასრული განზომილებისთვის d, შეიძლება ჩამოვაყალიბოთ იდეალური ტელეპორტაციის სქემა მაქსიმალური ჩახლართული მდგომარეობის ვექტორების საფუძველზე, რომელიც შეიძლება მივიღოთ მოცემული მაქსიმალური ჩახლართული მდგომარეობიდან და საფუძვლიდან {Uk} უნიტარული ოპერატორები, რომლებიც აკმაყოფილებენ tr(U †j Uk)=dδj, k . ასეთი პროტოკოლი შეიძლება აშენდეს ნებისმიერი სასრული განზომილებიანი ჰილბერტისთვისსივრცეები ე.წ. დისკრეტული ცვლადი სისტემები.
გარდა ამისა, კვანტური ტელეპორტაცია ასევე შეიძლება გავრცელდეს სისტემებზე, რომლებსაც აქვთ უსასრულო განზომილებიანი ჰილბერტის სივრცე, რომელსაც უწოდებენ უწყვეტ ცვლადი სისტემებს. როგორც წესი, ისინი რეალიზდება ოპტიკური ბოზონური რეჟიმებით, რომელთა ელექტრული ველის აღწერა შესაძლებელია კვადრატული ოპერატორებით.
სიჩქარისა და გაურკვევლობის პრინციპი
რა არის კვანტური ტელეპორტაციის სიჩქარე? ინფორმაცია გადაეცემა კლასიკური გადაცემის იგივე სიჩქარით - შესაძლოა სინათლის სიჩქარით. თეორიულად, ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ისე, როგორც არ შეიძლება კლასიკური - მაგალითად, კვანტურ გამოთვლებში, სადაც მონაცემები ხელმისაწვდომია მხოლოდ მიმღებისთვის.
არღვევს თუ არა კვანტური ტელეპორტაცია გაურკვევლობის პრინციპს? წარსულში, ტელეპორტაციის იდეას მეცნიერები სერიოზულად არ აღიქვამდნენ, რადგან თვლიდნენ, რომ იგი არღვევდა პრინციპს, რომ ნებისმიერი გაზომვის ან სკანირების პროცესი არ გამოიტანდა ატომის ან სხვა ობიექტის მთელ ინფორმაციას. გაურკვევლობის პრინციპის მიხედვით, რაც უფრო ზუსტად ხდება ობიექტის სკანირება, მით მეტ გავლენას ახდენს მასზე სკანირების პროცესი, სანამ არ მივაღწევთ წერტილს, სადაც ობიექტის საწყისი მდგომარეობა იმდენად დარღვეულია, რომ შეუძლებელი იქნება მისი მიღება. საკმარისი ინფორმაცია ზუსტი ასლის შესაქმნელად. ეს დამაჯერებლად ჟღერს: თუ ადამიანს არ შეუძლია ინფორმაციის ამოღება ობიექტიდან სრულყოფილი ასლის შესაქმნელად, მაშინ ბოლო ვერ შეიქმნება.
კვანტური ტელეპორტაცია დუმებისთვის
მაგრამ ექვსმა მეცნიერმა (ჩარლზ ბენეტი, ჟილ ბრასარდი, კლოდ კრეპო, რიჩარდ ჯოზა, აშერ პერესი და უილიამ უითერსი) იპოვეს გზა ამ ლოგიკის გარშემო კვანტური მექანიკის ცნობილი და პარადოქსული მახასიათებლის გამოყენებით, რომელიც ცნობილია როგორც აინშტაინ-პოდოლსკი. როზენის ეფექტი. მათ იპოვეს გზა ტელეპორტირებული A ობიექტის ინფორმაციის ნაწილის სკანირებისა და აღნიშნული ეფექტის მეშვეობით დანარჩენი გადაუმოწმებელი ნაწილის სხვა C ობიექტზე გადასატანად, რომელიც არასოდეს ყოფილა კონტაქტში A-სთან.
შემდეგ, C-ზე გავლენის გამოყენებით, რომელიც დამოკიდებულია დასკანირებულ ინფორმაციაზე, თქვენ შეგიძლიათ ჩადოთ C A მდგომარეობაში სკანირებამდე. თავად A აღარ არის იმავე მდგომარეობაში, რადგან ის მთლიანად შეიცვალა სკანირების პროცესის შედეგად, ამიტომ მიღწეულია ტელეპორტაცია და არა რეპლიკაცია.
ბრძოლა დიაპაზონისთვის
- პირველი კვანტური ტელეპორტაცია განხორციელდა 1997 წელს თითქმის ერთდროულად ინსბრუკისა და რომის უნივერსიტეტის მეცნიერების მიერ. ექსპერიმენტის დროს, თავდაპირველი ფოტონი, რომელსაც აქვს პოლარიზაცია, და ერთ-ერთი ჩახლართული ფოტონი, ისე შეიცვალა, რომ მეორე ფოტონმა მიიღო თავდაპირველის პოლარიზაცია. ამ შემთხვევაში, ორივე ფოტონი ერთმანეთისგან დაშორებული იყო.
- 2012 წელს განხორციელდა კიდევ ერთი კვანტური ტელეპორტაცია (ჩინეთი, მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უნივერსიტეტი) მაღალმთიანი ტბის გავლით 97 კმ მანძილზე. შანხაის მეცნიერთა ჯგუფმა, ჰუანგ იინის ხელმძღვანელობით, მოახერხა დასახლების მექანიზმის შემუშავება, რამაც შესაძლებელი გახადა სხივის ზუსტად დამიზნება.
- იმავე წლის სექტემბერში განხორციელდა რეკორდული კვანტური ტელეპორტაცია 143 კმ. ავსტრიელი მეცნიერები ავსტრიის მეცნიერებათა აკადემიიდან და უნივერსიტეტიდანვენამ, ანტონ ცეილინგერის ხელმძღვანელობით, წარმატებით გადაიტანა კვანტური მდგომარეობები ორ კანარის კუნძულებს ლა პალმასა და ტენერიფეს შორის. ექსპერიმენტმა გამოიყენა ორი ოპტიკური საკომუნიკაციო ხაზი ღია სივრცეში, კვანტური და კლასიკური, სიხშირის არაკორელირებული პოლარიზაციის ჩახლართული წყაროს ფოტონების წყვილი, ულტრა დაბალი ხმაურის ერთფოტონიანი დეტექტორები და დაწყვილებული საათის სინქრონიზაცია.
- 2015 წელს, აშშ-ს სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტის მკვლევარებმა პირველად გადასცეს ინფორმაცია 100 კმ-ზე მეტ მანძილზე ოპტიკური ბოჭკოების საშუალებით. ეს შესაძლებელი გახდა ინსტიტუტში შექმნილი ერთფოტონიანი დეტექტორების წყალობით მოლიბდენის სილიციდისგან დამზადებული ზეგამტარი ნანომავთულის გამოყენებით.
ნათელია, რომ იდეალური კვანტური სისტემა ან ტექნოლოგია ჯერ არ არსებობს და მომავლის დიდი აღმოჩენები ჯერ კიდევ წინ არის. მიუხედავად ამისა, შეიძლება სცადოთ შესაძლო კანდიდატების იდენტიფიცირება ტელეპორტაციის კონკრეტულ აპლიკაციებში. მათი შესაფერისი ჰიბრიდიზაცია, თავსებადი ჩარჩოსა და მეთოდების გათვალისწინებით, შეიძლება უზრუნველყოს კვანტური ტელეპორტაციისა და მისი აპლიკაციების ყველაზე პერსპექტიული მომავალი.
მოკლე დისტანციები
ტელეპორტაცია მოკლე დისტანციებზე (1 მ-მდე), როგორც კვანტური გამოთვლითი ქვესისტემა, იმედისმომცემია ნახევარგამტარული მოწყობილობებისთვის, რომელთაგან საუკეთესოა QED სქემა. კერძოდ, სუპერგამტარ ტრანსმონატორ კუბიტებს შეუძლიათ უზრუნველყონ დეტერმინისტული და მაღალი სიზუსტის ჩიპზე ტელეპორტაცია. ისინი ასევე იძლევიან რეალურ დროში პირდაპირ კვებას, რაცპრობლემურად გამოიყურება ფოტონიკურ ჩიპებზე. გარდა ამისა, ისინი უზრუნველყოფენ უფრო მასშტაბურ არქიტექტურას და არსებული ტექნოლოგიების უკეთეს ინტეგრაციას წინა მიდგომებთან შედარებით, როგორიცაა ხაფანგში მყოფი იონები. ამჟამად, ამ სისტემების ერთადერთი ნაკლი, როგორც ჩანს, არის მათი შეზღუდული თანმიმდევრულობის დრო (<100 μs). ამ პრობლემის მოგვარება შესაძლებელია QED მიკროსქემის ინტეგრირებით ნახევარგამტარული სპინ-ანსამბლის მეხსიერების უჯრედებთან (აზოტით შემცვლელი ვაკანსიებით ან იშვიათი დედამიწაზე დოპირებული კრისტალებით), რაც უზრუნველყოფს კვანტური მონაცემების შენახვის ხანგრძლივ თანმიმდევრულობას. ეს განხორციელება ამჟამად სამეცნიერო საზოგადოების დიდი ძალისხმევის საგანია.
ქალაქის კომუნიკაცია
სატელეპორტო კომუნიკაცია ქალაქის მასშტაბით (რამდენიმე კილომეტრი) შეიძლება განვითარდეს ოპტიკური რეჟიმების გამოყენებით. საკმარისად დაბალი დანაკარგებით, ეს სისტემები უზრუნველყოფენ მაღალ სიჩქარეს და გამტარობას. ისინი შეიძლება გაფართოვდეს დესკტოპის განხორციელებიდან საშუალო დიაპაზონის სისტემებზე, რომლებიც მუშაობენ ჰაერში ან ბოჭკოზე, ანსამბლის კვანტურ მეხსიერებასთან შესაძლო ინტეგრირებით. უფრო გრძელი დისტანციების, მაგრამ უფრო დაბალი სიჩქარის მიღწევა შესაძლებელია ჰიბრიდული მიდგომით ან არაგაუსური პროცესების საფუძველზე კარგი გამეორებების შემუშავებით.
საქალაქთაშორისო კომუნიკაცია
შორ მანძილზე კვანტური ტელეპორტაცია (100 კმ-ზე მეტი) აქტიური ტერიტორიაა, მაგრამ მაინც იტანჯება ღია პრობლემისგან. პოლარიზაციის კუბიტები -საუკეთესო მატარებლები დაბალი სიჩქარით ტელეპორტირებისთვის გრძელი ბოჭკოვანი ბმულებით და ჰაერით, მაგრამ პროტოკოლი ამჟამად სავარაუდოა არასრული ზარის გამოვლენის გამო.
მიუხედავად იმისა, რომ სავარაუდო ტელეპორტაცია და ჩახლართულები მისაღებია ისეთი პრობლემებისთვის, როგორიცაა ჩახლართული დისტილაცია და კვანტური კრიპტოგრაფია, ეს აშკარად განსხვავდება კომუნიკაციისგან, რომელშიც შეყვანილი ინფორმაცია მთლიანად უნდა იყოს დაცული.
თუ ჩვენ მივიღებთ ამ ალბათურ ბუნებას, მაშინ თანამგზავრების დანერგვა თანამედროვე ტექნოლოგიების მიღწევაშია. თვალთვალის მეთოდების ინტეგრაციის გარდა, მთავარი პრობლემაა სხივის გავრცელებით გამოწვეული მაღალი დანაკარგები. ეს შეიძლება დაიძლიოს კონფიგურაციაში, სადაც ჩახლართულობა ნაწილდება თანამგზავრიდან დიდი დიაფრაგმის მიწისზე დაფუძნებულ ტელესკოპებზე. თუ ვივარაუდებთ, რომ თანამგზავრის დიაფრაგმა 20 სმ 600 კმ სიმაღლეზე და 1 მ ტელესკოპის დიაფრაგმა მიწაზე, მოსალოდნელია დაახლოებით 75 dB ქვემო კავშირის დაკარგვა, რაც ნაკლებია 80 dB დანაკარგზე მიწის დონეზე. მიწა-სატელიტი ან თანამგზავრიდან-სატელიტის დანერგვა უფრო რთულია.
კვანტური მეხსიერება
ტელეპორტაციის სამომავლო გამოყენება, როგორც მასშტაბირებადი ქსელის ნაწილი, პირდაპირ დამოკიდებულია მის ინტეგრაციაზე კვანტურ მეხსიერებასთან. ამ უკანასკნელს უნდა ჰქონდეს მატერიაში რადიაციის შესანიშნავი ინტერფეისი კონვერტაციის ეფექტურობის, ჩაწერისა და წაკითხვის სიზუსტის, შენახვის დროისა და გამტარუნარიანობის, მაღალი სიჩქარისა და შენახვის შესაძლებლობის თვალსაზრისით. Პირველითავის მხრივ, ეს საშუალებას მისცემს რელეების გამოყენებას გააფართოვოს კომუნიკაცია პირდაპირი გადაცემის მიღმა, შეცდომების გამოსწორების კოდების გამოყენებით. კარგი კვანტური მეხსიერების შემუშავება საშუალებას მისცემს არა მხოლოდ გადანაწილდეს ჩახლართულ ქსელში და ტელეპორტაციის კომუნიკაციაში, არამედ შენახული ინფორმაციის თანმიმდევრულად დამუშავებას. საბოლოო ჯამში, ამან შეიძლება ქსელი გადააქციოს გლობალურად განაწილებულ კვანტურ კომპიუტერად ან საფუძვლად მომავალი კვანტური ინტერნეტისთვის.
პერსპექტიული განვითარება
ატომური ანსამბლები ტრადიციულად მიმზიდველად ითვლებოდა მათი ეფექტური სინათლის მატერიაში გადაქცევის და მათი მილიწამიანი სიცოცხლის ხანგრძლივობის გამო, რომელიც შეიძლება იყოს 100ms-მდე, რომელიც საჭიროა სინათლის გადასაცემად გლობალურ მასშტაბში. თუმცა, დღეს უფრო პერსპექტიული განვითარებაა მოსალოდნელი ნახევარგამტარულ სისტემებზე, სადაც შესანიშნავი სპინ-ანსამბლის კვანტური მეხსიერება პირდაპირ ინტეგრირებულია მასშტაბირებადი QED მიკროსქემის არქიტექტურასთან. ამ მეხსიერებას შეუძლია არა მხოლოდ გაახანგრძლივოს QED წრედის თანმიმდევრულობა, არამედ უზრუნველყოს ოპტიკურ-მიკრტალღური ინტერფეისი ოპტიკურ-ტელეკომის და ჩიპური მიკროტალღური ფოტონების ურთიერთკონვერტაციისთვის.
ამგვარად, მეცნიერთა მომავალი აღმოჩენები კვანტური ინტერნეტის სფეროში, სავარაუდოდ, დაფუძნებული იქნება შორ მანძილზე ოპტიკურ კომუნიკაციაზე და ნახევარგამტარულ კვანძებთან ერთად კვანტური ინფორმაციის დასამუშავებლად.
