Téléportation quantique: les grandes découvertes des physiciens

La téléportation quantique est l'un des plusprotocoles importants dans l'information quantique. Basé sur la ressource physique de l'intrication, il constitue l'élément principal de diverses tâches d'information et constitue une partie importante des technologies quantiques, jouant un rôle clé dans le développement ultérieur de l'informatique quantique, du réseautage et de la communication.

De la science-fiction à la découverte de scientifiques

Cela fait plus de deux décenniesla découverte de la téléportation quantique, qui est peut-être l'une des conséquences les plus intéressantes et les plus excitantes de «l'étrangeté» de la mécanique quantique. Avant ces grandes découvertes, cette idée appartenait au domaine de la science-fiction. Initialement inventé en 1931 par Charles H. Fort, le terme «téléportation» a depuis été utilisé pour désigner le processus par lequel les corps et les objets sont transférés d'un endroit à un autre, sans pour autant dépasser la distance qui les sépare.

En 1993, un article a été publié avec une descriptionun protocole d'information quantique, baptisé «téléportation quantique», qui partageait plusieurs des caractéristiques énumérées ci-dessus. Il état inconnu d'un système physique est mesuré puis reproduit, ou « re-aller » dans le site distant (les éléments physiques du système d'origine restent en place le transfert). Ce processus nécessite des moyens de communication classiques et exclut la communication superluminale. Cela nécessite une ressource d'intrication. En fait, la téléportation peut être considéré comme un protocole d'information quantique que la plupart démontre clairement la nature de la confusion: sans la présence d'un état du transfert ne serait pas possible dans le cadre des lois qui décrivent la mécanique quantique.

La téléportation joue un rôle actif dans le développement descience de l'information. D'une part, il s'agit d'un protocole conceptuel qui joue un rôle décisif dans le développement de la théorie de l'information quantique formelle et, d'autre part, il constitue un élément fondamental de nombreuses technologies. Un répéteur quantique est un élément clé de la communication sur de longues distances. La téléportation des commutateurs quantiques, les calculs basés sur les mesures et les réseaux quantiques - tous sont ses dérivés. Il est également utilisé comme un outil simple pour étudier la physique «extrême», en relation avec les courbes temporelles et l'évaporation des trous noirs.

Aujourd'hui, la téléportation quantique est confirmée dansdes laboratoires du monde entier utilisant une variété de substrats et de technologies différents, notamment les quibits de photons, la résonance magnétique nucléaire, les modes optiques, les groupes d'atomes, les atomes piégés et les systèmes à semi-conducteurs. Des résultats remarquables ont été obtenus dans le domaine de la portée de téléportation, des expériences avec des satellites sont à venir. De plus, des tentatives ont commencé pour s’adapter à des systèmes plus complexes.

Qubits de téléportation

La téléportation quantique a été décrite pour la première foissystèmes à deux niveaux, les soi-disant qubits. Le protocole considère deux parties distantes, appelées Alice et Bob, séparant deux qubits, A et B, dans un état confus pur, également appelée paire de Bell. À l'entrée, Alice reçoit un autre qubit d'un, dont l'état ρ est inconnu. Il effectue ensuite une mesure quantique conjointe appelée détection de Bell. Il faut un et A pour l’un des quatre états de Bell. En conséquence, l'état du qubit d'entrée d'Alice disparaît lorsqu'il est mesuré et le qubit B de Bob est simultanément projeté sur P^†_kρP_k. À la dernière étape du protocole, Alice transmet le résultat classique de sa mesure à Bob, qui utilise l'opérateur Pauli P_k pour restaurer le ρ d'origine.

L'état initial du qubit d'Alice est considéréinconnu, car sinon le protocole est réduit à sa mesure à distance. De plus, il peut faire lui-même partie d'un système composite plus grand partagé avec un tiers (dans ce cas, une téléportation réussie nécessite la reproduction de toutes les corrélations avec ce tiers).

Expérience typique de téléportation quantiqueprend l’état original pur et appartient à un alphabet limité, par exemple les six pôles de la sphère de Bloch. En présence de décohérence, la qualité de l'état reconstruit peut être exprimée quantitativement par la précision de téléportation F ∈ [0, 1]. Il s’agit de la précision entre les états d’Alice et de Bob, calculée en moyenne pour tous les résultats des découvertes de Bell et l’alphabet original. Pour les petites valeurs de précision, il existe des méthodes qui permettent une téléportation imparfaite sans l'utilisation d'une ressource complexe. Par exemple, Alice peut mesurer directement son état initial en envoyant les résultats à Bob pour préparer l'état résultant. Cette stratégie de préparation de mesures est appelée "téléportation classique". Il a une précision maximale f_classe = 2/3 pour un état d'entrée arbitraire équivalent à l'alphabet d'états mutuellement non biaisés, tels que les six pôles de la sphère de Bloch.

Ainsi, un signe clair de l'utilisation des ressources quantiques est la valeur de la précision F> F_classe.

Ne pas quitter un

Comme le dit la physique quantique, la téléportation n'est paslimité aux qubits, il peut inclure des systèmes multidimensionnels. Pour chaque dimension finie d, un schéma de téléportation idéal peut être formulé en utilisant la base des vecteurs d'état les plus intriqués, qui peuvent être obtenus à partir d'un état intriqué maximal donné et de la base {U_k} opérateurs unitaires satisfaisant tr (U^†_j Avoir_k) = dδ_{j, k}. Un tel protocole peut être construit pour tout espace de Hilbert de taille finie, ainsi appelé. systèmes à variables discrètes.

En outre, la téléportation quantique peutétendre aux systèmes avec des espaces de Hilbert de dimension infinie, appelés systèmes à variables continues. En règle générale, ils sont réalisés par des modes de boson optiques, dont le champ électrique peut être décrit par des opérateurs en quadrature.

Vitesse et incertitude

Quelle est la vitesse de téléportation quantique? Les informations sont transmises à une vitesse similaire à la vitesse de transfert de la même quantité de données classiques - peut-être à la vitesse de la lumière. Théoriquement, il peut être utilisé de manière telle que le classique ne peut pas - par exemple, en informatique quantique, où les données ne sont disponibles que pour le destinataire.

La téléportation quantique viole-t-elle le principe?incertitude? Dans le passé, l’idée de téléportation n’était pas prise très au sérieux par les scientifiques, car on pensait qu’elle violait le principe qui interdisait à tout procédé de mesure ou de balayage d’extraire toutes les informations d’un atome ou autre objet. Conformément au principe d'incertitude, plus un objet est numérisé avec précision, plus il est affecté par le processus de numérisation jusqu'à atteindre un point où l'état initial de l'objet est cassé au point qu'il n'est plus possible d'obtenir suffisamment d'informations pour créer une copie exacte. Cela semble convaincant: si une personne ne peut pas extraire des informations d'un objet pour créer une copie parfaite, celle-ci ne peut pas être réalisée.

Téléportation quantique pour les nuls

Mais six scientifiques (Charles Bennett, Gilles Brassard,Claude Krepo, Richard Jos, Asher Perez et William Wouters) ont trouvé un moyen de contourner cette logique en utilisant la caractéristique célèbre et paradoxale de la mécanique quantique, connue sous le nom d’effet Einstein-Podolsky-Rosen. Ils ont trouvé un moyen de numériser une partie des informations de l'objet téléporté A et de transférer la partie non testée restante à l'autre objet C, qui n'avait jamais été en contact avec A, grâce à cet effet.

En outre, en appliquant à l'exposition au C,Selon les informations numérisées, vous pouvez entrer C dans l'état A avant de numériser. Lui-même n'est plus dans cet état, car il a été complètement modifié par le processus de numérisation. Le résultat est la téléportation et non la réplication.

Se battre pour la portée

• La première téléportation quantique a eu lieu à1997 presque simultanément par des scientifiques de l'Université d'Innsbruck et de l'Université de Rome. Au cours de l'expérience, le photon d'origine avec polarisation et l'un des photons enchevêtrés d'une paire ont subi une modification telle que le second photon a reçu une polarisation de l'original. Dans ce cas, les deux photons étaient situés à distance l'un de l'autre.
• En 2012 Une autre téléportation quantique (Université des sciences et de la technologie de Chine) s'est déroulée sur un lac d'altitude situé à 97 km. Une équipe de scientifiques de Shanghai dirigée par Juan Yin a réussi à mettre au point un mécanisme suggestif permettant de cibler précisément le faisceau.
• En septembre de la même année, un recordtéléportation quantique sur 143 km. Des scientifiques autrichiens de l'Académie des sciences d'Autriche et de l'Université de Vienne, dirigés par Anton Zeilinger, ont transféré avec succès des états quantiques entre les deux îles Canaries de La Palma et de Tenerife. L’expérience a utilisé deux lignes de communication optiques en paire de sources de photons enchevêtrées polarisées non liées, quantiques et classiques, en espace ouvert, des détecteurs à photon unique ultra-silencieux et une synchronisation d’horloge couplée.
• En 2015 Pour la première fois, des chercheurs de l'Institut national américain des normes et de la technologie ont transmis des informations sur une distance de plus de 100 km sur fibre. Cela a été rendu possible par les détecteurs à photon unique créés à l'institut à l'aide de nanofils supraconducteurs en siliciure de molybdène.

Il est clair qu'un système quantique idéal oula technologie n'existe pas encore et les grandes découvertes de l'avenir sont encore à venir. Cependant, vous pouvez essayer d'identifier des candidats possibles dans des domaines spécifiques de la téléportation. Leur hybridation appropriée, à condition que leur base et leurs méthodes soient compatibles, peut offrir l’avenir le plus prometteur pour la téléportation quantique et ses applications.

Courte distance

Téléportation sur de courtes distances (jusqu’à 1 m) commeLe sous-système d’informatique quantique est prometteur pour les dispositifs à semi-conducteurs, dont le meilleur est le circuit QED. En particulier, les qubits de transmons supraconducteurs peuvent garantir une téléportation déterministe et de haute précision sur une puce. Ils permettent également une alimentation directe en temps réel, ce qui semble problématique sur les puces photoniques. En outre, ils fournissent une architecture plus évolutive et une meilleure intégration des technologies existantes par rapport aux approches précédentes, telles que les ions piégés. À l'heure actuelle, le seul inconvénient de ces systèmes semble être leur temps de cohérence limité (<100 μs). Ce problème peut être résolu en intégrant le circuit QED à des cellules de mémoire semi-conductrices à ensemble de spin (avec des lacunes vacantes substituées par de l'azote ou des cristaux de terres rares dopées), ce qui peut fournir un long temps de cohérence pour le stockage de données quantiques. Actuellement, cette mise en œuvre fait l’objet de grands efforts de la part de la communauté scientifique.

Connexion ville

Communication de téléportation dans toute la ville(plusieurs kilomètres) pourraient être développés en utilisant des modes optiques. Avec des pertes suffisamment faibles, ces systèmes fournissent des vitesses et des largeurs de bande élevées. Ils peuvent être étendus, de la mise en œuvre de postes de travail aux systèmes de moyenne portée fonctionnant en réseau ou sur fibre, avec une intégration possible avec la mémoire quantique globale. Des distances plus longues, mais à des vitesses inférieures, peuvent être atteintes en utilisant une approche hybride ou en développant de bons répéteurs basés sur des processus non gaussiens.

Longue distance

Téléportation quantique longue distance (plus de 100km) est une zone active, mais souffre toujours d’un problème ouvert. Les qubits de polarisation sont les meilleurs transporteurs pour la téléportation à basse vitesse sur de longues lignes de communication en fibre optique et en direct, mais le protocole est actuellement probabiliste en raison de la détection incomplète de Bell.

Téléportation et enchevêtrement probabilistesacceptable pour des tâches telles que la distillation par enchevêtrement et la cryptographie quantique, mais ceci est clairement différent de la communication, dans laquelle les informations d'entrée doivent être entièrement préservées.

Si nous prenons ce caractère probabiliste, alorsles implémentations de satellites sont à la portée de la technologie moderne. Outre l’intégration des méthodes de suivi, le problème principal réside dans les pertes élevées dues à l’étalement du faisceau. Cela peut être surmonté dans une configuration dans laquelle l'enchevêtrement est distribué du satellite aux télescopes au sol à grande ouverture. En supposant une ouverture satellite de 20 cm à une altitude de 600 km et le premier diaphragme du télescope au sol, nous pouvons nous attendre à environ 75 dB de perte dans le canal en liaison descendante, ce qui correspond à moins de 80 dB de perte au niveau du sol. Les implémentations Terre vers satellite ou satellite à satellite sont plus complexes.

Mémoire quantique

L’utilisation future de la téléportation en tant queUne partie intégrante d’un réseau évolutif dépend directement de son intégration à la mémoire quantique. Ces derniers devraient avoir une excellente efficacité en termes de conversion, d’interface rayonnement-matière, de précision d’enregistrement et de lecture, de temps de stockage et de largeur de bande, de haute vitesse et de capacité de stockage. Cela permettra principalement aux répéteurs d'étendre la communication bien au-delà de la transmission directe à l'aide de codes de correction d'erreur. Le développement d'une bonne mémoire quantique permettrait non seulement de répartir l'enchevêtrement sur le réseau et la communication de téléportation, mais également de traiter de manière cohérente les informations stockées. À terme, cela pourrait transformer le réseau en un ordinateur quantique distribué dans le monde entier ou en une base pour le futur Internet quantique.

Les développements en perspective

Les ensembles atomiques étaient traditionnellement considérésattrayantes en raison de leur conversion efficace de la lumière à la lumière et de leurs millisecondes de stockage, qui peuvent atteindre 100 ms pour transmettre la lumière à l’échelle mondiale. Néanmoins, des développements plus prometteurs sont aujourd'hui attendus sur la base des systèmes à semi-conducteurs, dans lesquels une excellente mémoire quantique spin-ensemble est directement intégrée à l'architecture de circuit évolutive QED. Cette mémoire peut non seulement prolonger le temps de cohérence du circuit QED, mais également fournir une interface optique-hyperfréquence pour l'interconversion de photons optiques-télécommunication et de micro-ondes à puce.

Ainsi, les futures découvertes de scientifiques dans le domaine de l'internet quantique seront probablement basées sur des communications optiques distantes couplées à des nœuds à semi-conducteurs pour le traitement d'informations quantiques.

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