Quantenteleportation ist eines der wichtigsten Protokolle in der Quanteninformation. Basierend auf der physikalischen Ressource Verschränkung dient es als Hauptelement verschiedener Informationsaufgaben und ist ein wichtiger Bestandteil der Quantentechnologien, der eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung von Quantencomputing, Netzwerken und Kommunikation spielt.
Von der Science-Fiction zur Entdeckung der Wissenschaftler
Seit der Entdeckung der Quantenteleportation, die vielleicht eine der interessantesten und aufregendsten Folgen der "Fremdheit" der Quantenmechanik ist, sind mehr als zwei Jahrzehnte vergangen. Bevor diese großen Entdeckungen gemacht wurden, gehörte diese Idee in den Bereich der Science-Fiction. Der Begriff „Teleportation“, der erstmals 1931 von Charles H. Fort geprägt wurde, wird seitdem verwendet, um sich auf den Prozess zu beziehen, bei dem Körper und Gegenstände von einem Ort zum anderen transportiert werden, ohne die Entfernung zwischen ihnen tatsächlich zurückzulegen.
Im Jahr 1993 wurde ein Artikel veröffentlicht, in dem das Quanteninformationsprotokoll beschrieben wurde, genannt"Quantenteleportation", die mehrere der oben aufgeführten Funktionen gemeinsam hatte. Dabei wird der unbekannte Zustand eines physikalischen Systems gemessen und anschließend an einem entfernten Ort reproduziert bzw. „wieder zusammengesetzt“(die physikalischen Elemente des Originalsystems verbleiben am Sendeort). Dieser Prozess erfordert klassische Kommunikationsmittel und schließt FTL-Kommunikation aus. Es braucht eine Ressource der Verstrickung. Tatsächlich kann die Teleportation als ein Quanteninformationsprotokoll angesehen werden, das die Natur der Verschränkung am deutlichsten demonstriert: Ohne ihre Anwesenheit wäre ein solcher Übertragungszustand im Rahmen der Gesetze, die die Quantenmechanik beschreiben, nicht möglich.
Teleportation spielt eine aktive Rolle in der Entwicklung der Informationswissenschaft. Einerseits ist es ein konzeptionelles Protokoll, das eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der formalen Quanteninformationstheorie spielt, und andererseits ein grundlegender Bestandteil vieler Technologien. Der Quantenrepeater ist ein Schlüsselelement für die Kommunikation über große Entfernungen. Quantensch alter-Teleportation, dimensionsbasiertes Computing und Quantennetzwerke sind alle Derivate davon. Es wird auch als einfaches Werkzeug zum Studium der "extremen" Physik in Bezug auf Zeitkurven und die Verdunstung von Schwarzen Löchern verwendet.
Heute wurde die Quantenteleportation in Laboratorien auf der ganzen Welt unter Verwendung vieler verschiedener Substrate und Technologien bestätigt, darunter photonische Qubits, Kernspinresonanz, optische Moden, Atomgruppen, gefangene Atome undHalbleitersysteme. Herausragende Ergebnisse wurden im Bereich der Teleportationsreichweite erzielt, Experimente mit Satelliten stehen bevor. Darüber hinaus haben Versuche begonnen, auf komplexere Systeme zu skalieren.
Teleportation von Qubits
Quantenteleportation wurde erstmals für Zwei-Ebenen-Systeme, die sogenannten Qubits, beschrieben. Das Protokoll berücksichtigt zwei entfernte Parteien namens Alice und Bob, die sich zwei Qubits, A und B, in einem reinen verschränkten Zustand teilen, der auch als Bell-Paar bezeichnet wird. Am Eingang erhält Alice ein weiteres Qubit a, dessen Zustand ρ unbekannt ist. Anschließend führt sie eine gemeinsame Quantenmessung namens Bell-Detektion durch. Es dauert a und A zu einem der vier Bell-Zustände. Als Ergebnis verschwindet der Zustand von Alices Eingabe-Qubit während der Messung, und Bobs B-Qubit wird gleichzeitig auf Р†kρP projiziert k. In der letzten Phase des Protokolls sendet Alice das klassische Ergebnis ihrer Messung an Bob, der den Pauli-Operator Pk verwendet, um das ursprüngliche ρ. wiederherzustellen.
Der Anfangszustand von Alices Qubit gilt als unbekannt, da sonst das Protokoll auf seine Fernmessung reduziert wird. Alternativ kann es selbst Teil eines größeren zusammengesetzten Systems sein, das mit einem Dritten geteilt wird (in diesem Fall erfordert eine erfolgreiche Teleportation die Reproduktion aller Korrelationen mit diesem Dritten).
Ein typisches Quantenteleportationsexperiment geht davon aus, dass der Anfangszustand rein ist und zu einem begrenzten Alphabet gehört,zum Beispiel die sechs Pole der Bloch-Kugel. Bei Vorhandensein von Dekohärenz kann die Qualität des rekonstruierten Zustands durch die Teleportationsgenauigkeit F ∈ [0, 1] quantifiziert werden. Dies ist die Genauigkeit zwischen den Zuständen von Alice und Bob, gemittelt über alle Bell-Erkennungsergebnisse und das ursprüngliche Alphabet. Bei niedrigen Genauigkeitswerten gibt es Methoden, die eine unvollständige Teleportation ermöglichen, ohne eine verschleierte Ressource zu verwenden. Zum Beispiel kann Alice ihren Anfangszustand direkt messen, indem sie die Ergebnisse an Bob sendet, um den resultierenden Zustand vorzubereiten. Diese Messvorbereitungsstrategie wird als „klassische Teleportation“bezeichnet. Es hat eine maximale Genauigkeit von Fclass=2/3 für einen beliebigen Eingangszustand, was einem Alphabet von wechselseitig unverzerrten Zuständen entspricht, wie den sechs Polen einer Bloch-Kugel.
Daher ist der Genauigkeitswert F> Fclass.
ein eindeutiges Indiz für die Nutzung von Quantenressourcen.
Kein einziges Qubit
Laut Quantenphysik ist Teleportation nicht auf Qubits beschränkt, sondern kann multidimensionale Systeme umfassen. Für jede endliche Dimension d kann man ein ideales Teleportationsschema unter Verwendung einer Basis maximal verschränkter Zustandsvektoren formulieren, die aus einem gegebenen maximal verschränkten Zustand und einer Basis {Uk} von erh alten werden können unitäre Operatoren, die tr(U †j Uk)=dδj, k erfüllen . Ein solches Protokoll kann für jeden endlichdimensionalen Hilbert erstellt werdenRäume der sog. Diskrete Variablensysteme.
Außerdem lässt sich die Quantenteleportation auch auf Systeme mit einem unendlichdimensionalen Hilbert-Raum ausdehnen, sogenannte Continuous-Variable-Systeme. Sie werden in der Regel durch optische bosonische Moden realisiert, deren elektrisches Feld durch Quadraturoperatoren beschrieben werden kann.
Geschwindigkeits- und Unsicherheitsprinzip
Wie schnell ist die Quantenteleportation? Informationen werden mit einer ähnlichen Geschwindigkeit übertragen wie die gleiche Menge an klassischer Übertragung – vielleicht mit Lichtgeschwindigkeit. Theoretisch kann es auf eine Weise verwendet werden, die das klassische nicht kann – zum Beispiel im Quantencomputing, wo Daten nur dem Empfänger zur Verfügung stehen.
Verletzt die Quantenteleportation das Unbestimmtheitsprinzip? In der Vergangenheit wurde die Idee der Teleportation von Wissenschaftlern nicht sehr ernst genommen, weil man dachte, dass sie gegen den Grundsatz verstößt, dass kein Mess- oder Scanverfahren nicht alle Informationen eines Atoms oder eines anderen Objekts extrahieren würde. Je genauer ein Objekt abgetastet wird, desto mehr wird es nach dem Unschärfeprinzip vom Scanvorgang beeinflusst, bis ein Punkt erreicht ist, an dem der ursprüngliche Zustand des Objekts so stark verletzt ist, dass er nicht mehr erreicht werden kann genügend Informationen, um eine exakte Kopie zu erstellen. Das klingt überzeugend: Wenn eine Person Informationen nicht aus einem Objekt extrahieren kann, um eine perfekte Kopie zu erstellen, dann kann die letzte nicht erstellt werden.
Quantenteleportation für Dummies
Aber sechs Wissenschaftler (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez und William Wuthers) fanden einen Weg, diese Logik zu umgehen, indem sie das berühmte und paradoxe Merkmal der Quantenmechanik nutzten, das als Einstein-Podolsky- Rosen-Effekt. Sie fanden einen Weg, einen Teil der Informationen des teleportierten Objekts A zu scannen und den Rest des unbestätigten Teils durch den erwähnten Effekt auf ein anderes Objekt C zu übertragen, das noch nie mit A in Kontakt war.
Ferner können Sie C vor dem Scannen in den Zustand A versetzen, indem Sie einen Einfluss auf C anwenden, der von den gescannten Informationen abhängt. A selbst befindet sich nicht mehr im selben Zustand, da es durch den Scanvorgang vollständig verändert wurde, was also erreicht wurde, ist Teleportation, nicht Replikation.
Kampf um Reichweite
- Die erste Quantenteleportation wurde 1997 fast zeitgleich von Wissenschaftlern der Universität Innsbruck und der Universität Rom durchgeführt. Während des Experiments wurden das ursprüngliche Photon, das eine Polarisation hat, und eines der beiden verschränkten Photonen so verändert, dass das zweite Photon die Polarisation des ursprünglichen erhielt. In diesem Fall waren beide Photonen voneinander entfernt.
- Im Jahr 2012 fand eine weitere Quantenteleportation (China, University of Science and Technology) durch einen Hochgebirgssee in 97 km Entfernung statt. Einem Team von Wissenschaftlern aus Shanghai unter der Leitung von Huang Yin gelang es, einen Zielsuchmechanismus zu entwickeln, der es ermöglichte, den Strahl genau auszurichten.
- Im September desselben Jahres wurde eine Rekord-Quantenteleportation von 143 km durchgeführt. Österreichische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der UniversitätWien unter der Leitung von Anton Zeilinger erfolgreich Quantenzustände zwischen den beiden Kanareninseln La Palma und Teneriffa transferiert. Das Experiment verwendete zwei optische Kommunikationsleitungen im offenen Raum, Quanten- und klassische, frequenzunkorrelierte, polarisationsverschränkte Quellenphotonenpaare, Einzelphotonendetektoren mit extrem niedrigem Rauschen und gekoppelte Taktsynchronisation.
- Im Jahr 2015 haben Forscher des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology erstmals Informationen über eine Entfernung von mehr als 100 km per Glasfaser übertragen. Möglich wurde dies durch am Institut entwickelte Einzelphotonendetektoren mit supraleitenden Nanodrähten aus Molybdänsilizid.
Es ist klar, dass das ideale Quantensystem oder die ideale Quantentechnologie noch nicht existiert und die großen Entdeckungen der Zukunft noch bevorstehen. Dennoch kann man versuchen, mögliche Kandidaten in konkreten Anwendungen der Teleportation zu identifizieren. Eine geeignete Hybridisierung dieser, vorausgesetzt ein kompatibler Rahmen und Methoden, könnte die vielversprechendste Zukunft für die Quantenteleportation und ihre Anwendungen darstellen.
Kurzstrecken
Teleportation über kurze Entfernungen (bis zu 1 m) als Quantencomputing-Subsystem ist vielversprechend für Halbleiterbauelemente, von denen das beste das QED-Schema ist. Insbesondere supraleitende Transmon-Qubits können eine deterministische und hochpräzise On-Chip-Teleportation garantieren. Sie ermöglichen auch einen direkten Echtzeit-Feed, dersieht auf photonischen Chips problematisch aus. Darüber hinaus bieten sie eine besser skalierbare Architektur und eine bessere Integration bestehender Technologien im Vergleich zu früheren Ansätzen wie gefangenen Ionen. Derzeit scheint der einzige Nachteil dieser Systeme ihre begrenzte Kohärenzzeit (<100 µs) zu sein. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die QED-Sch altung mit Halbleiter-Spin-Ensemble-Speicherzellen (mit stickstoffsubstituierten Leerstellen oder seltenerddotierten Kristallen) integriert wird, die eine lange Kohärenzzeit für die Quantendatenspeicherung bereitstellen können. Diese Implementierung ist derzeit Gegenstand vieler Bemühungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Stadtkommunikation
Teleportationskommunikation im Stadtmaßstab (mehrere Kilometer) könnte unter Verwendung optischer Modi entwickelt werden. Bei ausreichend geringen Verlusten bieten diese Systeme hohe Geschwindigkeiten und Bandbreiten. Sie können von Desktop-Implementierungen auf Systeme mittlerer Reichweite erweitert werden, die über die Luft oder Glasfaser betrieben werden, mit möglicher Integration mit Ensemble-Quantenspeichern. Größere Entfernungen, aber niedrigere Geschwindigkeiten können mit einem hybriden Ansatz oder durch die Entwicklung guter Repeater auf der Grundlage nicht-Gaußscher Prozesse erreicht werden.
Fernkommunikation
Langstrecken-Quantenteleportation (über 100 km) ist ein aktives Gebiet, leidet aber immer noch unter einem offenen Problem. Polarisations-Qubits -die besten Träger für Teleportation mit niedriger Geschwindigkeit über lange Glasfaserverbindungen und über die Luft, aber das Protokoll ist derzeit aufgrund der unvollständigen Bell-Erkennung probabilistisch.
Während probabilistische Teleportation und Verschränkung für Probleme wie Verschränkungsdestillation und Quantenkryptographie akzeptabel sind, unterscheidet sich dies deutlich von der Kommunikation, bei der die Eingabe vollständig erh alten bleiben muss.
Wenn wir diese probabilistische Natur akzeptieren, dann sind Satellitenimplementierungen in Reichweite moderner Technologie. Neben der Integration von Tracking-Verfahren besteht das Hauptproblem in hohen Verlusten durch Strahlaufweitung. Dies kann in einer Konfiguration überwunden werden, bei der die Verschränkung vom Satelliten auf bodengestützte Teleskope mit großer Apertur verteilt wird. Unter der Annahme einer Satellitenapertur von 20 cm in 600 km Höhe und einer Teleskopapertur von 1 m am Boden sind etwa 75 dB Downlink-Dämpfung zu erwarten, was weniger ist als die 80 dB Dämpfung in Bodennähe. Boden-zu-Satelliten- oder Satellit-zu-Satelliten-Implementierungen sind komplexer.
Quantengedächtnis
Die zukünftige Nutzung der Teleportation als Teil eines skalierbaren Netzwerks hängt direkt von ihrer Integration mit dem Quantenspeicher ab. Letzteres sollte eine hervorragende Strahlung-Materie-Grenzfläche in Bezug auf Umwandlungseffizienz, Aufzeichnungs- und Lesegenauigkeit, Speicherzeit und -bandbreite, hohe Geschwindigkeit und Speicherkapazität aufweisen. ZuerstDies wird wiederum die Verwendung von Relais ermöglichen, um die Kommunikation weit über die direkte Übertragung unter Verwendung von Fehlerkorrekturcodes hinaus zu erweitern. Die Entwicklung eines guten Quantenspeichers würde es nicht nur ermöglichen, die Verschränkung über das Netzwerk und die Teleportationskommunikation zu verteilen, sondern auch die gespeicherte Information kohärent zu verarbeiten. Letztendlich könnte das Netzwerk dadurch zu einem weltweit verteilten Quantencomputer oder zur Basis für ein zukünftiges Quanteninternet werden.
Vielversprechende Entwicklungen
Atomensembles g alten traditionell aufgrund ihrer effizienten Licht-Materie-Umwandlung und ihrer Millisekunden-Lebensdauer, die bis zu 100 ms betragen kann, die für die Übertragung von Licht auf globaler Ebene erforderlich sind, als attraktiv. Heute werden jedoch vielversprechendere Entwicklungen auf der Grundlage von Halbleitersystemen erwartet, bei denen ein ausgezeichneter Spin-Ensemble-Quantenspeicher direkt in die skalierbare QED-Sch altungsarchitektur integriert ist. Dieser Speicher kann nicht nur die Kohärenzzeit der QED-Sch altung verlängern, sondern auch eine optische Mikrowellenschnittstelle für die gegenseitige Umwandlung von optischen Telekommunikations- und Chip-Mikrowellenphotonen bereitstellen.
Daher werden die zukünftigen Entdeckungen von Wissenschaftlern auf dem Gebiet des Quanteninternets wahrscheinlich auf optischer Fernkommunikation beruhen, die mit Halbleiterknoten zur Verarbeitung von Quanteninformationen gekoppelt ist.
