O teletransporte quântico é um dos protocolos mais importantes na informação quântica. Com base no recurso físico de emaranhamento, serve como elemento principal de várias tarefas de informação e é um componente importante das tecnologias quânticas, desempenhando um papel fundamental no desenvolvimento da computação quântica, redes e comunicação.
Da ficção científica à descoberta dos cientistas
Já se passaram mais de duas décadas desde a descoberta do teletransporte quântico, que talvez seja uma das consequências mais interessantes e emocionantes da "estranheza" da mecânica quântica. Antes que essas grandes descobertas fossem feitas, essa ideia pertencia ao reino da ficção científica. Primeiramente cunhado em 1931 por Charles H. Fort, o termo "teletransporte" tem sido usado desde então para se referir ao processo pelo qual corpos e objetos são transferidos de um lugar para outro sem realmente percorrer a distância entre eles.
Em 1993, foi publicado um artigo descrevendo o protocolo de informação quântica, chamado"teletransporte quântico", que compartilhava vários dos recursos listados acima. Nele, o estado desconhecido de um sistema físico é medido e posteriormente reproduzido ou "remontado" em um local remoto (os elementos físicos do sistema original permanecem no local de transmissão). Este processo requer meios clássicos de comunicação e exclui a comunicação FTL. Precisa de um recurso de emaranhamento. De fato, o teletransporte pode ser visto como um protocolo de informação quântica que demonstra mais claramente a natureza do emaranhamento: sem sua presença, tal estado de transmissão não seria possível dentro do quadro das leis que descrevem a mecânica quântica.
Teletransporte desempenha um papel ativo no desenvolvimento da ciência da informação. Por um lado, é um protocolo conceitual que desempenha um papel decisivo no desenvolvimento da teoria da informação quântica formal e, por outro lado, é um componente fundamental de muitas tecnologias. O repetidor quântico é um elemento-chave da comunicação a longas distâncias. Teletransporte de switch quântico, computação baseada em dimensão e redes quânticas são todos derivados dele. Também é usado como uma ferramenta simples para estudar física "extrema" em relação a curvas de tempo e evaporação de buracos negros.
Hoje, o teletransporte quântico foi confirmado em laboratórios de todo o mundo usando muitos substratos e tecnologias diferentes, incluindo qubits fotônicos, ressonância magnética nuclear, modos ópticos, grupos de átomos, átomos presos esistemas semicondutores. Resultados notáveis foram alcançados no campo do alcance do teletransporte, experimentos com satélites estão chegando. Além disso, começaram as tentativas de escalar para sistemas mais complexos.
Teletransporte de qubits
O teletransporte quântico foi descrito pela primeira vez para sistemas de dois níveis, os chamados qubits. O protocolo considera duas partes distantes, chamadas Alice e Bob, que compartilham 2 qubits, A e B, em estado puro emaranhado, também chamado de par Bell. Na entrada, Alice recebe outro qubit a, cujo estado ρ é desconhecido. Ela então realiza uma medição quântica conjunta chamada detecção de Bell. Leva a e A para um dos quatro estados de Bell. Como resultado, o estado do qubit de entrada de Alice desaparece durante a medição, e o qubit B de Bob é projetado simultaneamente em Р†kρP k. Na última etapa do protocolo, Alice envia o resultado clássico de sua medição para Bob, que usa o operador Pauli Pk para restaurar o ρ. original
O estado inicial do qubit de Alice é considerado desconhecido, pois senão o protocolo é reduzido à sua medida remota. Alternativamente, ele pode ser parte de um sistema composto maior compartilhado com um terceiro (nesse caso, o teletransporte bem-sucedido requer a reprodução de todas as correlações com esse terceiro).
Um experimento típico de teletransporte quântico assume que o estado inicial é puro e pertence a um alfabeto limitado,por exemplo, os seis pólos da esfera de Bloch. Na presença de decoerência, a qualidade do estado reconstruído pode ser quantificada pela precisão do teletransporte F ∈ [0, 1]. Esta é a precisão entre os estados de Alice e Bob, em média sobre todos os resultados de detecção de Bell e o alfabeto original. Em valores de precisão baixos, existem métodos que permitem o teletransporte imperfeito sem usar um recurso ofuscado. Por exemplo, Alice pode medir diretamente seu estado inicial enviando os resultados para Bob para preparar o estado resultante. Essa estratégia de preparação de medição é chamada de "teletransporte clássico". Tem uma precisão máxima de Fclass=2/3 para um estado de entrada arbitrário, que é equivalente a um alfabeto de estados mutuamente imparciais, como os seis pólos de uma esfera de Bloch.
Assim, uma indicação clara do uso de recursos quânticos é o valor de precisão F> Fclass.
Nem um único qubit
De acordo com a física quântica, o teletransporte não se limita a qubits, pode incluir sistemas multidimensionais. Para cada dimensão finita d, pode-se formular um esquema de teletransporte ideal usando uma base de vetores de estado maximamente emaranhados, que podem ser obtidos de um dado estado maximamente emaranhado e uma base {Uk} de operadores unitários satisfazendo tr(U †j Uk)=dδj, k . Tal protocolo pode ser construído para qualquer Hilbert de dimensão finitaespaços dos chamados. sistemas de variáveis discretas.
Além disso, o teletransporte quântico também pode ser estendido a sistemas com um espaço de Hilbert de dimensão infinita, chamados sistemas de variáveis contínuas. Via de regra, eles são realizados por modos ópticos bosônicos, cujo campo elétrico pode ser descrito por operadores de quadratura.
Princípio de velocidade e incerteza
Qual é a velocidade do teletransporte quântico? A informação é transmitida a uma velocidade semelhante à da mesma quantidade de transmissão clássica - talvez à velocidade da luz. Teoricamente, ele pode ser usado de maneiras que o clássico não pode - por exemplo, na computação quântica, onde os dados estão disponíveis apenas para o destinatário.
O teletransporte quântico viola o princípio da incerteza? No passado, a ideia de teletransporte não era levada muito a sério pelos cientistas porque se pensava que violava o princípio de que qualquer processo de medição ou digitalização não extrairia todas as informações de um átomo ou outro objeto. De acordo com o princípio da incerteza, quanto mais precisamente um objeto é escaneado, mais ele é afetado pelo processo de escaneamento, até que um ponto seja alcançado onde o estado original do objeto é violado de tal forma que não é mais possível obter informações suficientes para criar uma cópia exata. Isso parece convincente: se uma pessoa não consegue extrair informações de um objeto para criar uma cópia perfeita, então a última não pode ser feita.
Teletransporte quântico para manequins
Mas seis cientistas (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez e William Wuthers) encontraram uma maneira de contornar essa lógica usando o famoso e paradoxal recurso da mecânica quântica conhecido como Einstein-Podolsky- Efeito Rosen. Eles encontraram uma maneira de escanear parte da informação do objeto teletransportado A, e transferir o resto da parte não verificada através do efeito mencionado para outro objeto C, que nunca esteve em contato com A.
Além disso, aplicando a C uma influência que depende da informação escaneada, você pode colocar C no estado A antes de escanear. A em si não está mais no mesmo estado, pois foi completamente alterado pelo processo de varredura, então o que foi alcançado é o teletransporte, não a replicação.
Luta por alcance
- O primeiro teletransporte quântico foi realizado em 1997 quase simultaneamente por cientistas da Universidade de Innsbruck e da Universidade de Roma. Durante o experimento, o fóton original, que possui uma polarização, e um do par de fótons emaranhados, foram alterados de tal forma que o segundo fóton recebeu a polarização do original. Neste caso, ambos os fótons estavam distantes um do outro.
- Em 2012 ocorreu outro teletransporte quântico (China, Universidade de Ciência e Tecnologia) através de um lago de alta montanha a uma distância de 97 km. Uma equipe de cientistas de Xangai, liderada por Huang Yin, conseguiu desenvolver um mecanismo de homing que tornou possível apontar o feixe com precisão.
- Em setembro do mesmo ano, foi realizado um teletransporte quântico recorde de 143 km. Cientistas austríacos da Academia Austríaca de Ciências e da UniversidadeViena, liderada por Anton Zeilinger, transferiu com sucesso estados quânticos entre as duas Ilhas Canárias de La Palma e Tenerife. O experimento usou duas linhas de comunicação óptica em espaço aberto, quântica e clássica, polarização não correlacionada de frequência emaranhada par de fótons de origem, detectores de fóton único de ruído ultrabaixo e sincronização de relógio acoplado.
- Em 2015, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA transmitiram pela primeira vez informações a uma distância de mais de 100 km via fibra óptica. Isso se tornou possível graças aos detectores de fóton único criados no instituto, usando nanofios supercondutores feitos de silício de molibdênio.
Está claro que o sistema ou tecnologia quântica ideal ainda não existe e as grandes descobertas do futuro ainda estão por vir. No entanto, pode-se tentar identificar possíveis candidatos em aplicações específicas de teletransporte. A hibridização adequada destes, dada uma estrutura e métodos compatíveis, poderia fornecer o futuro mais promissor para o teletransporte quântico e suas aplicações.
Distâncias curtas
Teletransporte em distâncias curtas (até 1 m) como um subsistema de computação quântica é promissor para dispositivos semicondutores, sendo o melhor deles o esquema QED. Em particular, qubits transmon supercondutores podem garantir teletransporte determinístico e de alta precisão no chip. Eles também permitem alimentação direta em tempo real, queparece problemático em chips fotônicos. Além disso, eles fornecem uma arquitetura mais escalável e melhor integração de tecnologias existentes em comparação com abordagens anteriores, como íons presos. Atualmente, a única desvantagem desses sistemas parece ser seu tempo de coerência limitado (<100 µs). Este problema pode ser resolvido integrando o circuito QED com células de memória semicondutoras de spin-ensemble (com vacâncias substituídas por nitrogênio ou cristais dopados com terras raras), que podem fornecer um longo tempo de coerência para armazenamento de dados quânticos. Esta implementação é atualmente objeto de muito esforço da comunidade científica.
Comunicação da cidade
A comunicação de teletransporte em escala de cidade (vários quilômetros) pode ser desenvolvida usando modos ópticos. Com perdas suficientemente baixas, esses sistemas fornecem altas velocidades e largura de banda. Eles podem ser estendidos de implementações de desktop para sistemas de médio alcance operando no ar ou fibra, com possível integração com memória quântica de conjunto. Distâncias mais longas, mas velocidades mais baixas podem ser alcançadas com uma abordagem híbrida ou desenvolvendo bons repetidores baseados em processos não gaussianos.
Comunicação à distância
O teletransporte quântico de longa distância (mais de 100 km) é uma área ativa, mas ainda sofre de um problema em aberto. Qubits de polarização -as melhores operadoras para teletransporte de baixa velocidade em links de fibra longa e no ar, mas o protocolo é atualmente probabilístico devido à detecção incompleta de Bell.
Embora o teletransporte probabilístico e os emaranhados sejam aceitáveis para problemas como destilação por emaranhamento e criptografia quântica, isso é claramente diferente da comunicação, na qual a entrada deve ser completamente preservada.
Se aceitarmos essa natureza probabilística, as implementações de satélites estão ao alcance da tecnologia moderna. Além da integração dos métodos de rastreamento, o principal problema são as altas perdas causadas pelo espalhamento do feixe. Isso pode ser superado em uma configuração onde o emaranhamento é distribuído do satélite para telescópios terrestres de grande abertura. Assumindo uma abertura de satélite de 20 cm a 600 km de altitude e uma abertura de telescópio de 1 m no solo, pode-se esperar cerca de 75 dB de perda no downlink, que é menor do que a perda de 80 dB no nível do solo. Implementações terra-satélite ou satélite-satélite são mais complexas.
memória quântica
O uso futuro do teletransporte como parte de uma rede escalável depende diretamente de sua integração com a memória quântica. Este último deve ter uma excelente interface radiação-matéria em termos de eficiência de conversão, precisão de gravação e leitura, tempo de armazenamento e largura de banda, alta velocidade e capacidade de armazenamento. PrimeiroPor sua vez, isso permitirá o uso de relés para estender a comunicação muito além da transmissão direta usando códigos de correção de erros. O desenvolvimento de uma boa memória quântica permitiria não apenas distribuir o emaranhamento pela rede e comunicação de teletransporte, mas também processar as informações armazenadas de maneira coerente. Em última análise, isso pode transformar a rede em um computador quântico distribuído globalmente ou a base para uma futura internet quântica.
Desenvolvimentos promissores
Os conjuntos atômicos têm sido tradicionalmente considerados atraentes devido à sua conversão eficiente de luz em matéria e sua vida útil de milissegundos, que pode ser tão alta quanto os 100ms necessários para transmitir luz em escala global. No entanto, desenvolvimentos mais promissores hoje são esperados com base em sistemas semicondutores, onde a excelente memória quântica de spin-ensemble é diretamente integrada à arquitetura de circuito QED escalável. Essa memória pode não apenas estender o tempo de coerência do circuito QED, mas também fornecer uma interface de micro-ondas óptica para a interconversão de fótons de micro-ondas de telecomunicações e chip.
Assim, as futuras descobertas dos cientistas no campo da internet quântica provavelmente serão baseadas em comunicação óptica de longo alcance acoplada a nós semicondutores para processar informações quânticas.
