Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι μια διαδικασία που μεταφέρει την κβαντική κατάσταση ενός σωματιδίου από τη μια τοποθεσία στην άλλη χωρίς να μεταδίδει το ίδιο το σωματίδιο. Βασίζεται στην κβαντική εμπλοκή, ένα φαινόμενο όπου δύο σωματίδια συσχετίζονται έτσι ώστε η μέτρηση του ενός να επηρεάζει στιγμιαία την άλλη, ανεξάρτητα από την απόσταση. Μακριά από την τηλεμεταφορά της φυσικής ύλης, η τεχνική αυτή κινείται κβαντική πληροφορία ⁇ η θεμελιώδης «κατάσταση» ενός συστήματος ⁇ καθιστώντας το ακρογωνιαίο λίθο για τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες. Αρχικά, το 1993 προτάθηκε θεωρητικά από τον Τσαρλς Μπένετ και τους συναδέλφους, η κβαντική τηλεμεταφορά έχει έκτοτε δοκιμαστεί πειραματικά με φωτόνια, άτομα, ακόμη και πάνω από εκατοντάδες χιλιόμετρα μέσω επίγειων και δορυφορικών συνδέσεων.

Οι βασικές αρχές της κβαντικής τηλεμεταφοράς

Κβαντική εμπλοκή και καμπάνα κράτη

Η βάση της κβαντικής τηλεμεταφοράς είναι η εμπλοκή. Όταν δύο qubits (quantum bits) είναι μπλεγμένα, η συνδυασμένη κατάστασή τους δεν μπορεί να περιγραφεί ανεξάρτητα· αποτελούν ένα κοινό σύστημα. Οι πιο κοινές καταστάσεις που εμπλέκονται είναι οι καταστάσεις καμπάνας:

Πρωτόκολλο Τηλεμεταφοράς

Το πρωτόκολλο τηλεμεταφοράς αποτελείται από τρία βήματα: εμπλοκή, μέτρηση και ανακατασκευή.

  • Προετοιμασία εμπλοκής: Η Αλίκη και ο Μπομπ μοιράζονται ένα μπλεγμένο ζευγάρι (σωματίδια Β και Γ). Αρχικά, καμία πληροφορία για την κατάσταση
  • Μέτρηση καμπάνας: Η Αλίκη εκτελεί μια κοινή μέτρηση σε σωματίδια Α (που περιέχουν
  • Κλασική επικοινωνία και ανακατασκευή: Η Αλίκη στέλνει το αποτέλεσμα της μέτρησης της Καμπάνας της (δύο κλασικά bits) στον Μπομπ πάνω από οποιοδήποτε συμβατικό κανάλι (π.χ. καλώδιο οπτικών ινών ή ⁇ ).Με βάση τα λαμβανόμενα bits, ο Μπομπ εφαρμόζει μια συγκεκριμένη ενιαία λειτουργία (quantum portal) στο σωματίδιο C του. Αυτή η λειτουργία αναπαράγει ακριβώς την κατάσταση

Κρίσιμα, η αρχική κατάσταση

Ο Ρόλος της Κλασικής Επικοινωνίας

Η κλασική επικοινωνία είναι απαραίτητη στην κβαντική τηλεμεταφορά. Χωρίς αυτήν, ο Bob δεν θα ήξερε ποια ενιαία μεταμόρφωση να εφαρμόσει. Επειδή η κλασική πληροφορία δεν μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός, η τηλεμεταφορά δεν επιτρέπει την ταχύτερη-από-ελαφριά επικοινωνία. Τα δύο κλασικά bits ταξιδεύουν στην καλύτερη περίπτωση με ταχύτητα φωτός, έτσι η συνολική διαδικασία σέβεται τη σχετικότητα. Αυτό το κλασικό κανάλι εισάγει επίσης μια λανθάνουσα τάση που περιορίζει την αποτελεσματική μετάδοση των πρωτοκόλλων που βασίζονται στην τηλεμεταφορά.

Βασικές τεχνολογικές απαιτήσεις

Διατήρηση Εμπλοκής

Η εμπλοκή είναι εύθραυστη. Οι αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον προκαλούν αποσυνδεσιμότητα, η οποία καταστρέφει τις συσχετισμούς που είναι απαραίτητες για την τηλεμεταφορά. Για να διατηρηθεί η εμπλοκή σε απόσταση, οι ερευνητές χρησιμοποιούν οπτικές ίνες χαμηλής απώλειας, συνδέσεις λέιζερ ελεύθερου διαστήματος, ή ακόμα και δορυφορικά κανάλια. Χρησιμοποιούν επίσης τεχνικές όπως απόσταξη εμπλοκής για να εξαγνίσουν μερικώς υποβαθμισμένες μπλεγμένες καταστάσεις. Για παράδειγμα, ο δορυφόρος Micius (Κίνα) έχει επιδείξει κατανομή εμπλοκής και τηλεμεταφορά σε αποστάσεις άνω των 1.200 χλμ. χρησιμοποιώντας οπτικές ελεύθερου χώρου, μετρώντας τις επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής αναταραχής μέσω ενεργού σημείου και αντιστάθμισης πόλωσης.

Κβαντικοί επαναλήπτες και τηλεμεταφορά μακράς απόστασης

Για να ξεπεραστεί αυτό, κβαντικοί επαναλήπτες προτείνονται. Ένας κβαντικός επαναλήπτης διαιρεί τη συνολική απόσταση σε μικρότερα τμήματα, καθιερώνει εμπλοκή σε κάθε τμήμα, και στη συνέχεια εκτελεί την ανταλλαγή εμπλοκής για να τα συνδέσει. Κβαντική τηλεμεταφορά είναι η στοιχειώδης λειτουργία σε αυτές τις ανταλλαγές. Πρόσφατα πειράματα έχουν επιδείξει τηλεμεταφορά πάνω από δίκτυα ινών που επεκτείνουν δεκάδες χιλιόμετρα με υψηλή πιστότητα, ανοίγοντας το δρόμο για ένα μελλοντικό κβαντικό διαδίκτυο.

Πρακτικές Εφαρμογές Πέρα από τη Θεωρία

Κβαντικά Δίκτυα Επικοινωνίας

Η κβαντική τηλεμεταφορά επιτρέπει την ασφαλή μεταφορά κβαντικών καταστάσεων μεταξύ κόμβων σε ένα δίκτυο. Αυτό είναι απαραίτητο για την κατασκευή ενός κβαντικού διαδικτύου, όπου τα qubits μπορούν να τηλεμεταφερθούν μεταξύ κβαντικών επεξεργαστών, επιτρέποντας κατανεμημένη κβαντική υπολογιστική και ασφαλείς επικοινωνίες. Οι εταιρείες και οι ερευνητικές ομάδες παγκοσμίως αναπτύσσουν μητροπολιτικά κβαντικά δίκτυα - για παράδειγμα, στο Hefei (Κίνα), στο Τόκιο και στο Cambridge (ΗΠΑ).

Διανεμημένη κβαντική υπολογιστική

Οι κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας μπορεί να αποτελούνται από πολλαπλούς μικρότερους κβαντικούς επεξεργαστές που συνδέονται με τηλεμεταφορά. Αντί να μετακινούνται φυσικές qubit μεταξύ τσιπ, η τηλεμεταφορά μεταφέρει κβαντικές καταστάσεις, διατηρώντας τη συνοχή. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει την σπονδυλωτή κλιμάκωση και ευκολότερη διόρθωση σφαλμάτων. Για παράδειγμα, η τηλεμεταφορά μπορεί να υλοποιήσει κβαντικές πύλες μεταξύ qubits σε διαφορετικούς επεξεργαστές ⁇ γνωστή ως τηλεμεταφορά πύλης ⁇ επεκτείνοντας τις δυνατότητες των κοντινών κβαντικών συσκευών.

Ασφαλής διαβίβαση δεδομένων (Quantum Key Distribution)

Ενώ η κβαντική βασική διανομή (QKD) συχνά βασίζεται στην άμεση μετάδοση των qubits, η τηλεμεταφορά προσφέρει μια εναλλακτική: το πρωτόκολλο QKD που βασίζεται στην τηλεμεταφορά. Σε αυτό το σχήμα, μια εμπλεγμένη κατάσταση τηλεμεταφέρεται από την Αλίκη στον Μπομπ για να δημιουργήσει μυστικά κλειδιά. Επειδή η τηλεμεταφορά δεν εκθέτει τη μεταδιδόμενη κατάσταση στο κανάλι με τον ίδιο τρόπο, μπορεί να είναι πιο στιβαρή απέναντι σε ορισμένες επιθέσεις και απώλειες. Επιπλέον, η τηλεμεταφορά είναι μια θεμελιώδης πρωτόγονη για κβαντική κρυπτογράφηση και ασφαλή πολυκομματικό υπολογισμό.

Προκλήσεις και Τρέχουσα Σύνορα Έρευνας

Διόρθωση της πιστότητας και του σφάλματος

Η επιτυχία της κβαντικής τηλεμεταφοράς μετριέται με πιστότητα ⁇ πόσο ακριβώς η τηλεμεταφερόμενη κατάσταση ταιριάζει με την αρχική. Η Φιντέλιτι μπορεί να υποβαθμιστεί από ατελή εμπλοκή, απώλεια κατά τη μετάδοση, και θόρυβο στη μέτρηση καμπάνας. Σύγχρονα πειράματα επιτυγχάνουν πιστότητες άνω του 90%, αλλά πλησιάζει το 99,99% είναι απαραίτητη για ελαττωματικά κβαντικά δίκτυα. Κβαντικοί κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία των τηλεμεταφερόμενων καταστάσεων, αλλά απαιτούν επιπλέον quibits και πόρους. Οι ερευνητές εργάζονται ενεργά για τη βελτίωση της ποιότητας των εμπλεγμένων-φωτονίων πηγών και ανιχνευτών για την ενίσχυση της πιστότητας.

Σκαρφαλώνοντας την Τηλεμεταφορά

Οι περισσότερες διαδηλώσεις τηλεμεταφοράς είναι γεγονότα μιας βολής: ένα qubit τηλεμεταφερόμενο σε μια στιγμή. Για να είναι χρήσιμη, η τηλεμεταφορά πρέπει να λειτουργεί με υψηλές τιμές (π.χ., εκατομμύρια τηλεμεταφερόμενα qubits ανά δευτερόλεπτο) και να υποστηρίζει καταστάσεις πολλαπλώνqubit. Αυτό απαιτεί πολυπλεξία, υψηλής ταχύτητας ηλεκτρονικά, και ακριβή συγχρονισμό. Πρόσφατες προόδους σε ενσωματωμένες φωτονικές και cip-scale κβαντικές συσκευές υπόσχονται να ελαχιστοποιήσουν τις ρυθμίσεις τηλεμεταφοράς, αλλά η κλιμακωσιμότητα παραμένει μια μεγάλη πρόκληση μηχανικής.

Τηλεμεταφορά με βάση δορυφόρο

Τα πειράματα του δορυφόρου Micius (2016-2020) σηματοδότησαν ορόσημο με την επίτευξη κβαντικής τηλεμεταφοράς από έναν επίγειο σταθμό στον δορυφόρο και αντίστροφα. Οι δοκιμές αυτές χρησιμοποίησαν μια downlink μπλεγμένη πηγή, με μετρήσεις Bell που πραγματοποιήθηκαν στο έδαφος. Ο δορυφόρος στη συνέχεια αναμεταδίδει τις κλασικές πληροφορίες για την ανακατασκευή του κράτους. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τηλεμεταφορά σε αποστάσεις μέχρι 1.400 χλμ. με πιστότητες πάνω από 80%. Τα μελλοντικά έργα αποσκοπούν στην δημιουργία ενός δικτύου πολλαπλών δορυφόρων για να επιτρέψει την παγκόσμιας κλίμακας κβαντική τηλεμεταφορά ⁇ ένα βασικό βήμα προς ένα παγκόσμιο κβαντικό διαδίκτυο.

Το Μέλλον της Κβαντικής Τηλεμεταφοράς

Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει, η κβαντική τηλεμεταφορά θα μεταβεί από τις εργαστηριακές διαδηλώσεις σε υποδομές πραγματικού κόσμου. Η Ευρωπαϊκή Κβαντική Συμμαχία Διαδικτύου, το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας σχέδιο για ένα κβαντικό διαδίκτυο, και το κινεζικό Quantum Experiments at Space Scale (QUESS) πρόγραμμα επενδύουν όλα σε δίκτυα που βασίζονται στην τηλεμεταφορά. Μέσα σε μια δεκαετία, μπορεί να δούμε το πρώτο ολοκληρωμένο κβαντικό δίκτυο που συνδέει αρκετές πόλεις, χρησιμοποιώντας τη τηλεμεταφορά για τη σύνδεση κβαντικών υπολογιστών και αισθητήρων. Η τηλεμεταφορά παίζει επίσης ρόλο στην κβαντική αίσθηση, επιτρέποντας δίκτυα ατομικών ⁇ ολογιών με πρωτοφανή σταθερότητα, και σε θεμελιώδεις δοκιμές κβαντικής μηχανικής, όπως παραβιάσεις ανισότητας Bell με χωροόμοιες με διαχωρισμό.

Ο συνδυασμός της εμπλοκής, της μέτρησης και της κλασικής επικοινωνίας που ορίζει την τηλεμεταφορά θα παραμείνει βασική λειτουργία για κβαντικές τεχνολογίες. Ενώ η τηλεμεταφορά μακροσκοπικών αντικειμένων παραμένει επιστημονική φαντασία, η ικανότητα μεταφοράς κβαντικών καταστάσεων ανοίγει αξιόπιστα πόρτες για να εξασφαλίσει διπλωματία, κατανεμημένο υπολογισμό, και μια βαθύτερη κατανόηση του σύμπαντος.

Συμπέρασμα

Είναι ένα πρακτικό πρωτόκολλο που επιτρέπει τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών χωρίς τη μετακίνηση του σωματιδίου φορέα. Με τη μόχλευση της εμπλοκής και της κλασικής επικοινωνίας, επιλύεται ο θεμελιώδης περιορισμός του θεωρήματος μη κλωνοποίησης. Ο ρυθμός της πειραματικής προόδου ⁇ από χιλιόμετρα ινών σε διηπειρωτικές δορυφορικές συνδέσεις ⁇ αποδεικνύει τη σκοπιμότητα και τη σημασία της τηλεμεταφοράς. Οι προκλήσεις στην πιστότητα, την κλιμακωσιμότητα και την περιβαλλοντική αποσυνδεσιμότητα παραμένουν, αλλά η τροχιά είναι σαφής: η κβαντική τηλεμεταφορά θα είναι ένα θεμέλιο δομικό στοιχείο της επόμενης γενιάς συστημάτων επικοινωνίας και υπολογιστικών συστημάτων.

Για περαιτέρω ανάγνωση, βλέπε την αρχική πρόταση του C. H. Bennett et al., “Τηλεπιβίβαση άγνωστης κβαντικής πολιτείας μέσω των Κανάλια Dual Classical και Einstein-Podolsky-Rosen” (Φυσικά Γράμματα Επιθεώρησης, 1993) και την πρόσφατη επίδειξη κβαντικής τηλεμεταφοράς άνω των 143 χιλιομέτρων στον ελεύθερο χώρο από τον J. Yin et al., Φύση 2020. Το πείραμα δορυφορικής τηλεμεταφοράς με χρήση του Micius περιγράφεται στην Science (2017)]. Μια επισκόπηση του κβαντικού διαδικτύου μπορεί να βρεθεί στο Η κβαντική σελίδα του NIST στο διαδίκτυο.