טלפורטציה קוונטית היא אחד הפרוטוקולים החשובים ביותר במידע קוונטי. בהתבסס על המשאב הפיזי של הסתבכות, הוא משמש כמרכיב העיקרי של משימות מידע שונות ומהווה מרכיב חשוב בטכנולוגיות קוונטיות, הממלא תפקיד מפתח בפיתוח נוסף של מחשוב קוונטי, רשתות ותקשורת.
ממדע בדיוני ועד לגילוי של מדענים
עברו יותר משני עשורים מאז גילוי הטלפורטציה הקוונטית, שהיא אולי אחת ההשלכות המעניינות והמרגשות ביותר של "המוזרות" של מכניקת הקוונטים. לפני שהתגליות הגדולות הללו התגלו, הרעיון הזה היה שייך לתחום המדע הבדיוני. המונח "טלפורטציה" שנטבע לראשונה בשנת 1931 על ידי צ'ארלס ה. פורט, שימש מאז להתייחס לתהליך שבו גופים וחפצים מועברים ממקום אחד לאחר מבלי לעבור את המרחק ביניהם.
בשנת 1993 פורסם מאמר המתאר את פרוטוקול המידע הקוונטי, שנקרא"טלפורטציה קוונטית", שחלקה כמה מהתכונות המפורטות לעיל. בה, המצב הלא ידוע של מערכת פיזית נמדד ולאחר מכן משוכפל או "מורכב מחדש" במקום מרוחק (האלמנטים הפיזיים של המערכת המקורית נשארים באתר השידור). תהליך זה דורש אמצעי תקשורת קלאסיים ואינו כולל תקשורת FTL. זה צריך משאב של הסתבכות. למעשה, ניתן לראות בטלפורטציה פרוטוקול מידע קוונטי המדגים בצורה הברורה ביותר את אופי ההסתבכות: ללא נוכחותו, מצב שידור כזה לא יתאפשר במסגרת החוקים המתארים מכניקת הקוונטים.
טלפורטציה ממלאת תפקיד פעיל בפיתוח מדעי המידע. מצד אחד מדובר בפרוטוקול רעיוני הממלא תפקיד מכריע בפיתוח תורת המידע הקוונטי הפורמלי, ומצד שני הוא מרכיב בסיסי בטכנולוגיות רבות. המשחזר הקוונטי הוא מרכיב מרכזי בתקשורת למרחקים ארוכים. טלפורטציה של מתגים קוונטיים, מחשוב מבוסס מימדים ורשתות קוונטיות הם כולם נגזרות שלו. הוא משמש גם ככלי פשוט ללימוד פיסיקה "קיצונית" לגבי עקומות זמן ואידוי חורים שחורים.
היום, טלפורטציה קוונטית אושרה במעבדות ברחבי העולם תוך שימוש במצעים וטכנולוגיות רבות ושונות, כולל קיוביטים פוטוניים, תהודה מגנטית גרעינית, מצבים אופטיים, קבוצות של אטומים, אטומים לכודים, ומערכות מוליכים למחצה. תוצאות יוצאות דופן הושגו בתחום טווחי הטלפורטציה, ניסויים בלוויינים מגיעים. בנוסף, החלו ניסיונות להגדיל למערכות מורכבות יותר.
טלפורטציה של קיוביטים
טלפורטציה קוונטית תוארה לראשונה עבור מערכות דו-מפלסיות, מה שנקרא qubits. הפרוטוקול מתייחס לשני צדדים מרוחקים, הנקראים אליס ובוב, שחולקים 2 קיוביטים, A ו-B, במצב מסובך טהור, הנקרא גם צמד בל. בקלט, לאליס ניתנת קיוביט נוסף a, שמצבו ρ אינו ידוע. לאחר מכן היא מבצעת מדידה קוונטית משותפת הנקראת Bell Detection. זה לוקח a ו-A לאחד מארבעת מצבי הפעמון. כתוצאה מכך, מצב קיוביט הקלט של אליס נעלם במהלך המדידה, והקיוביט B של בוב מוקרן בו זמנית על Р†kρP k. בשלב האחרון של הפרוטוקול, אליס שולחת את התוצאה הקלאסית של המדידה שלה לבוב, שמשתמש באופרטור פאולי Pk כדי לשחזר את ה-ρ המקורי.
המצב ההתחלתי של הקיוביט של אליס נחשב לא ידוע, כי אחרת הפרוטוקול מצטמצם למדידה מרחוק שלו. לחלופין, ייתכן שהוא עצמו חלק ממערכת מורכבת גדולה יותר המשותפת עם צד שלישי (במקרה זה, טלפורטציה מוצלחת מחייבת לשחזר את כל המתאמים עם אותו צד שלישי).
ניסוי טיפוסי של טלפורטציה קוונטית מניח שהמצב ההתחלתי הוא טהור ושייך לאלפבית מוגבל,למשל, ששת הקטבים של כדור בלוך. בנוכחות דקוהרנטיות, ניתן לכמת את איכות המצב המשוחזר על ידי דיוק הטלפורטציה F ∈ [0, 1]. זהו הדיוק בין המצבים של אליס ובוב, בממוצע על פני כל תוצאות זיהוי הפעמון והאלפבית המקורי. בערכי דיוק נמוכים, ישנן שיטות המאפשרות טלפורטציה לא מושלמת מבלי להשתמש במשאב מעורפל. לדוגמה, אליס יכולה למדוד ישירות את המצב ההתחלתי שלה על ידי שליחת התוצאות לבוב כדי להכין את המצב המתקבל. אסטרטגיית מדידה-הכנה זו נקראת "טלפורטציה קלאסית". יש לו דיוק מרבי של Fclass=2/3 עבור מצב קלט שרירותי, שהוא שווה ערך לאלפבית של מצבים בלתי מוטים הדדיים, כגון ששת הקטבים של כדור בלוך.
לכן, אינדיקציה ברורה לשימוש במשאבים קוונטיים היא ערך הדיוק F> Fclass.
לא קווביט אחד
לפי פיזיקת הקוונטים, טלפורטציה אינה מוגבלת לקיוביטים, היא יכולה לכלול מערכות רב-ממדיות. עבור כל ממד סופי d, ניתן לגבש סכימת טלפורטציה אידיאלית באמצעות בסיס של וקטורי מצב מסובכים בצורה מקסימלית, שניתן לקבל ממצב נתון המסובך בצורה מקסימלית ובסיס {Uk} של אופרטורים יחידתיים המספקים tr(U †j Uk)=dδj, k . ניתן לבנות פרוטוקול כזה עבור כל הילברט סופי ממדירווחים של מה שנקרא. מערכות משתנות בדידות.
חוץ מזה, ניתן להרחיב טלפורטציה קוונטית גם למערכות עם מרחב הילברט אינסופי ממדים, הנקראות מערכות משתנים רציפים. ככלל, הם מתממשים על ידי מצבים בוזוניים אופטיים, שאת השדה החשמלי שלהם ניתן לתאר על ידי אופרטורים נבועים.
עקרון מהירות ואי-ודאות
מהי מהירות הטלפורטציה הקוונטית? מידע מועבר במהירות דומה לזו של אותה כמות של שידור קלאסי - אולי במהירות האור. תיאורטית, ניתן להשתמש בו בדרכים שהקלאסי אינו יכול - למשל, במחשוב קוונטי, שבו הנתונים זמינים רק לנמען.
האם טלפורטציה קוונטית מפרה את עקרון אי הוודאות? בעבר, הרעיון של טלפורטציה לא נלקח ברצינות רבה על ידי מדענים מכיוון שנחשב שהוא מפר את העיקרון שכל תהליך מדידה או סריקה לא יחלץ את כל המידע של אטום או עצם אחר. על פי עקרון אי הוודאות, ככל שאובייקט נסרק בצורה מדויקת יותר, כך הוא מושפע מתהליך הסריקה, עד שמגיעים לנקודה שבה מופר מצבו המקורי של האובייקט עד כדי כך שלא ניתן עוד להשיגו. מספיק מידע כדי ליצור עותק מדויק. זה נשמע משכנע: אם אדם לא יכול לחלץ מידע מאובייקט כדי ליצור עותק מושלם, אז לא ניתן ליצור את האחרון.
טלפורטציה קוונטית עבור בובות
אבל שישה מדענים (צ'ארלס בנט, ז'יל בראסארד, קלוד קרפו, ריצ'רד ג'וסה, אשר פרז וויליאם וותר'ס) מצאו דרך לעקוף את ההיגיון הזה על ידי שימוש בתכונה המפורסמת והפרדוקסלית של מכניקת הקוונטים הידועה בשם איינשטיין-פודולסקי- אפקט רוזן. הם מצאו דרך לסרוק חלק מהמידע של האובייקט A הטלפורטי, ולהעביר את שאר החלק הלא מאומת דרך האפקט המוזכר לאובייקט C אחר, שמעולם לא היה במגע עם A.
יתרה מכך, על ידי החלת השפעה על C שתלויה במידע הסרוק, תוכל להכניס את C למצב A לפני הסריקה. A עצמו כבר לא נמצא באותו מצב, מכיוון שהוא השתנה לחלוטין בתהליך הסריקה, אז מה שהושג הוא טלפורטציה, לא שכפול.
מאבק על טווח
- הטלפורטציה הקוונטית הראשונה בוצעה ב-1997 כמעט במקביל על ידי מדענים מאוניברסיטת אינסברוק ומאוניברסיטת רומא. במהלך הניסוי, הפוטון המקורי, בעל קיטוב, ואחד מצמד הפוטונים המסובכים, שונו באופן שהפוטון השני קיבל את הקיטוב של הפוטון המקורי. במקרה זה, שני הפוטונים היו במרחק אחד מהשני.
- בשנת 2012 התרחש טלפורטציה קוונטית נוספת (סין, האוניברסיטה למדע וטכנולוגיה) דרך אגם הררי גבוה במרחק של 97 ק"מ. צוות מדענים משנגחאי, בראשות הואנג יין, הצליח לפתח מנגנון ביות שאיפשר לכוון במדויק את האלומה.
- בספטמבר אותה שנה, בוצע שיא טלפורטציה קוונטי של 143 ק"מ. מדענים אוסטרים מהאקדמיה האוסטרית למדעים ומהאוניברסיטהוינה, בראשות אנטון זיילינגר, העבירה בהצלחה מדינות קוונטיות בין שני האיים הקנריים לה פלמה וטנריף. הניסוי השתמש בשני קווי תקשורת אופטיים בחלל פתוח, קוונטי וקלאסי, זוג פוטוני מקור סבוך ללא קורלציה של קיטוב תדר, גלאי פוטונים בודדים עם רעש נמוך במיוחד וסנכרון שעון מצמד.
- בשנת 2015, חוקרים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב שידרו לראשונה מידע למרחק של יותר מ-100 ק"מ באמצעות סיבים אופטיים. זה התאפשר הודות לגלאי פוטון בודד שנוצרו במכון, תוך שימוש בחוטי ננו-על מוליכי-על העשויים סיליקיד מוליבדן.
ברור שהמערכת או הטכנולוגיה הקוונטית האידיאלית עדיין לא קיימת והתגליות הגדולות של העתיד עוד לפנינו. עם זאת, אפשר לנסות לזהות מועמדים אפשריים ביישומים ספציפיים של טלפורטציה. הכלאה מתאימה של אלה, בהינתן מסגרת ושיטות תואמות, עשויה לספק את העתיד המבטיח ביותר עבור טלפורטציה קוונטית ויישומיו.
מרחקים קצרים
טלפורטציה על פני מרחקים קצרים (עד 1 מ') כתת-מערכת מחשוב קוונטי מבטיחה עבור התקני מוליכים למחצה, שהטובה שבהן היא ערכת ה-QED. בפרט, קיוביטים טרנסמונים מוליכי-על יכולים להבטיח טלפורטציה דטרמיניסטית ודיוק גבוהה על-שבב. הם גם מאפשרים הזנה ישירה בזמן אמת, אשרנראה בעייתי על שבבים פוטוניים. בנוסף, הם מספקים ארכיטקטורה ניתנת להרחבה יותר ושילוב טוב יותר של טכנולוגיות קיימות בהשוואה לגישות קודמות כגון יונים לכודים. נכון לעכשיו, נראה שהחסרון היחיד של מערכות אלו הוא זמן הקוהרנטיות המוגבל שלהן (<100 מיקרוסופט). ניתן לפתור בעיה זו על ידי שילוב מעגל ה-QED עם תאי זיכרון של אנסמבל ספין מוליכים למחצה (עם מקומות פנויים מוחלפים בחנקן או גבישים מסוממים באדמה נדירה), אשר יכולים לספק זמן קוהרנטיות ארוך לאחסון נתונים קוונטי. יישום זה הוא נושא למאמץ רב מצד הקהילה המדעית.
תקשורת עירונית
ניתן לפתח תקשורת טלפורטציה בקנה מידה עירוני (מספר קילומטרים) באמצעות מצבים אופטיים. עם הפסדים נמוכים מספיק, מערכות אלו מספקות מהירויות גבוהות ורוחב פס. ניתן להרחיב אותם מיישומים שולחניים למערכות טווח בינוני הפועלות באוויר או בסיבים, עם שילוב אפשרי עם זיכרון קוונטי של אנסמבל. ניתן להשיג מרחקים ארוכים יותר אך מהירויות נמוכות יותר עם גישה היברידית או על ידי פיתוח מחזרים טובים המבוססים על תהליכים שאינם גאוסים.
תקשורת למרחקים ארוכים
טלפורטציה קוונטית למרחקים ארוכים (מעל 100 ק מ) הוא אזור פעיל, אך עדיין סובל מבעיה פתוחה. קיוביטים קיטובים -הספקים הטובים ביותר לטלפורטציה במהירות נמוכה על פני קישורי סיבים ארוכים ובאוויר, אך הפרוטוקול כרגע הסתברותי עקב זיהוי פעמון לא שלם.
למרות שטלפורטציה הסתברותית והסתבכויות מקובלות לבעיות כמו זיקוק הסתבכות והצפנה קוונטית, זה שונה בבירור מתקשורת, שבה הקלט חייב להישמר לחלוטין.
אם נקבל את האופי ההסתברותי הזה, אז יישומי לווין נמצאים בהישג יד הטכנולוגיה המודרנית. בנוסף לשילוב שיטות המעקב, הבעיה העיקרית היא הפסדים גבוהים הנגרמים מהתפשטות האלומה. ניתן להתגבר על כך בתצורה שבה ההסתבכות מופצת מהלוויין לטלסקופים קרקעיים עם צמצם גדול. בהנחה של צמצם לווין של 20 ס"מ בגובה של 600 ק"מ וצמצם טלסקופ של 1 מ' על הקרקע, ניתן לצפות לאובדן של כ-75 dB בקישור למטה, שהם פחות מההפסד של 80 dB בגובה הקרקע. יישומי קרקע ללוויין או לוויין ללוויין מורכבים יותר.
זיכרון קוונטי
השימוש העתידי בטלפורטציה כחלק מרשת ניתנת להרחבה תלוי ישירות באינטגרציה שלו עם זיכרון קוונטי. זה האחרון צריך להיות בעל ממשק קרינה לחומר מצוין מבחינת יעילות המרה, דיוק הקלטה וקריאה, זמן אחסון ורוחב פס, מהירות גבוהה ויכולת אחסון. ראשוןבתורו, זה יאפשר שימוש בממסרים כדי להרחיב את התקשורת הרבה מעבר לשידור ישיר באמצעות קודי תיקון שגיאות. פיתוח של זיכרון קוונטי טוב יאפשר לא רק להפיץ הסתבכות על גבי הרשת ותקשורת טלפורטציה, אלא גם לעבד את המידע המאוחסן בצורה קוהרנטית. בסופו של דבר, זה יכול להפוך את הרשת למחשב קוונטי מבוזר גלובלי או לבסיס לאינטרנט קוונטי עתידי.
התפתחויות מבטיחות
הרכבים אטומיים נחשבים באופן מסורתי לאטרקטיביים בשל ההמרה היעילה שלהם מאור לחומר ומשך החיים של אלפית השניות שלהם, שיכול להגיע עד ל-100 אלפיות השנייה הדרושים להעברת אור בקנה מידה עולמי. עם זאת, צפויים היום פיתוחים מבטיחים יותר המבוססים על מערכות מוליכים למחצה, שבהן זיכרון קוונטי מעולה של ספין-אנסמבל משולב ישירות עם ארכיטקטורת מעגל ה-QED הניתנת להרחבה. זיכרון זה יכול לא רק להאריך את זמן הקוהרנטיות של מעגל ה-QED, אלא גם לספק ממשק אופטי-מיקרוגל להמרה הדדית של פוטונים אופטי-טלקום ושבב מיקרוגל.
לפיכך, סביר להניח שהתגליות העתידיות של מדענים בתחום האינטרנט הקוונטי יתבססו על תקשורת אופטית ארוכת טווח בשילוב עם צמתים מוליכים למחצה לעיבוד מידע קוונטי.
