การเคลื่อนย้ายควอนตัมเป็นหนึ่งในโปรโตคอลที่สำคัญที่สุดในข้อมูลควอนตัม โดยอิงจากทรัพยากรทางกายภาพของการพัวพัน มันทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบหลักของงานข้อมูลต่างๆ และเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเทคโนโลยีควอนตัม ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาต่อไปของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เครือข่าย และการสื่อสาร
จากนิยายวิทยาศาสตร์สู่การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์
เป็นเวลากว่าสองทศวรรษแล้วที่การค้นพบการเคลื่อนย้ายควอนตัม ซึ่งอาจเป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่น่าสนใจและน่าตื่นเต้นที่สุดของ "ความแปลกประหลาด" ของกลศาสตร์ควอนตัม ก่อนการค้นพบที่ยิ่งใหญ่เหล่านี้จะเกิดขึ้น แนวคิดนี้เป็นของอาณาจักรแห่งนิยายวิทยาศาสตร์ สร้างขึ้นครั้งแรกในปี 1931 โดย Charles H. Fort คำว่า "teleportation" ถูกนำมาใช้เพื่ออ้างถึงกระบวนการที่ร่างกายและวัตถุถูกถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่ต้องเดินทางไกลระหว่างกัน
ในปี 1993 มีการตีพิมพ์บทความที่อธิบายโปรโตคอลข้อมูลควอนตัมที่เรียกว่า"การเคลื่อนย้ายควอนตัม" ซึ่งใช้คุณลักษณะหลายอย่างที่กล่าวข้างต้นร่วมกัน ในนั้นจะมีการวัดสถานะที่ไม่รู้จักของระบบทางกายภาพและต่อมาทำซ้ำหรือ "ประกอบใหม่" ที่ตำแหน่งห่างไกล (องค์ประกอบทางกายภาพของระบบดั้งเดิมยังคงอยู่ที่ไซต์การส่งสัญญาณ) กระบวนการนี้ต้องใช้วิธีการสื่อสารแบบคลาสสิกและไม่รวมการสื่อสารแบบ FTL มันต้องการทรัพยากรของพัวพัน ในความเป็นจริง การเคลื่อนย้ายทางไกลสามารถถูกมองว่าเป็นโปรโตคอลข้อมูลควอนตัมที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนที่สุดถึงธรรมชาติของการพัวพัน: หากไม่มีสถานะดังกล่าว สถานะของการส่งสัญญาณดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นภายใต้กรอบของกฎหมายที่อธิบายกลศาสตร์ควอนตัม
เทเลพอร์ตมีบทบาทอย่างแข็งขันในการพัฒนาวิทยาการสารสนเทศ ประการหนึ่ง เป็นโปรโตคอลเชิงแนวคิดที่มีบทบาทชี้ขาดในการพัฒนาทฤษฎีข้อมูลควอนตัมที่เป็นทางการ และในทางกลับกัน เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเทคโนโลยีหลายอย่าง ตัวทวนควอนตัมเป็นองค์ประกอบสำคัญของการสื่อสารในระยะทางไกล เทเลพอร์ตสวิตช์ควอนตัม การคำนวณตามมิติ และเครือข่ายควอนตัมล้วนเป็นอนุพันธ์ของมัน นอกจากนี้ยังใช้เป็นเครื่องมือง่ายๆ สำหรับศึกษาฟิสิกส์ "สุดขั้ว" เกี่ยวกับเส้นโค้งเวลาและการระเหยของหลุมดำ
วันนี้ ควอนตัมเทเลพอร์ตได้รับการยืนยันในห้องปฏิบัติการทั่วโลกโดยใช้พื้นผิวและเทคโนโลยีที่หลากหลาย รวมถึงโฟโตนิกคิวบิต เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ โหมดออปติคัล กลุ่มอะตอม อะตอมที่ติดอยู่ และระบบเซมิคอนดักเตอร์ ได้ผลลัพธ์ที่โดดเด่นในด้านขอบเขตการเคลื่อนย้าย การทดลองกับดาวเทียมกำลังจะมาถึง นอกจากนี้ ความพยายามได้เริ่มขยายไปสู่ระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น
เทเลพอร์ตของ qubits
การเคลื่อนย้ายควอนตัมเป็นครั้งแรกสำหรับระบบสองระดับที่เรียกว่า qubits โปรโตคอลพิจารณาฝ่ายที่อยู่ห่างไกลสองฝ่าย เรียกว่าอลิซและบ็อบ ซึ่งใช้ 2 qubits, A และ B ในสถานะที่พันกันล้วนๆ เรียกอีกอย่างว่าคู่เบลล์ ที่อินพุต อลิซจะได้รับอีก qubit a ซึ่งไม่ทราบสถานะ ρ จากนั้นเธอก็ทำการวัดควอนตัมร่วมที่เรียกว่า การตรวจจับเบลล์ ต้องใช้ a และ A ถึงหนึ่งในสี่รัฐของ Bell เป็นผลให้สถานะของอินพุต qubit ของ Alice หายไประหว่างการวัด และ B qubit ของ Bob ถูกฉายไปที่ Р†kρP k. ในขั้นตอนสุดท้ายของโปรโตคอล อลิซจะส่งผลคลาสสิกของการวัดของเธอไปยัง Bob ซึ่งใช้ตัวดำเนินการ Pauli Pk เพื่อคืนค่า ρ.
ถือว่าสถานะเริ่มต้นของ qubit ของ Alice ไม่เป็นที่รู้จัก เพราะไม่เช่นนั้น โปรโตคอลจะลดเหลือเพียงการวัดระยะไกล อีกทางหนึ่ง ตัวมันเองอาจเป็นส่วนหนึ่งของระบบคอมโพสิตขนาดใหญ่ที่แชร์กับบุคคลที่สาม (ในกรณีนี้ การเคลื่อนย้ายที่สำเร็จจะต้องสร้างความสัมพันธ์ทั้งหมดกับบุคคลที่สามนั้น)
การทดลองเทเลพอร์ตควอนตัมทั่วไปถือว่าสถานะเริ่มต้นนั้นบริสุทธิ์และเป็นของตัวอักษรจำกัดตัวอย่างเช่น หกขั้วของทรงกลม Bloch ในการปรากฏตัวของการถอดรหัส คุณภาพของสถานะที่สร้างขึ้นใหม่สามารถวัดปริมาณได้ด้วยความแม่นยำในการเคลื่อนย้ายมวลสาร F ∈ [0, 1] นี่คือความแม่นยำระหว่างรัฐของอลิซและบ็อบ โดยเฉลี่ยจากผลการตรวจจับเบลล์และตัวอักษรดั้งเดิมทั้งหมด ที่ค่าความแม่นยำต่ำ มีวิธีการที่ยอมให้เทเลพอร์ตที่ไม่สมบูรณ์โดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรที่สับสน ตัวอย่างเช่น อลิซสามารถวัดสถานะเริ่มต้นของเธอได้โดยตรงโดยส่งผลไปยัง Bob เพื่อเตรียมสถานะผลลัพธ์ กลยุทธ์การเตรียมการวัดนี้เรียกว่า "การเคลื่อนย้ายแบบคลาสสิก" มีความแม่นยำสูงสุด Fclass=2/3 สำหรับสถานะอินพุตที่กำหนดเอง ซึ่งเทียบเท่ากับตัวอักษรของรัฐที่ไม่เอนเอียงซึ่งกันและกัน เช่น เสาทั้งหกของทรงกลม Bloch
ดังนั้น สิ่งบ่งชี้ที่ชัดเจนของการใช้ทรัพยากรควอนตัมคือค่าความแม่นยำ F> Fclass.
ไม่ใช่ควิบิตเดียว
ตามหลักฟิสิกส์ควอนตัม เทเลพอร์ตไม่จำกัดเพียง qubits มันสามารถรวมระบบหลายมิติได้ สำหรับแต่ละมิติ จำกัด d เราสามารถกำหนดรูปแบบการเคลื่อนย้ายทางไกลในอุดมคติโดยใช้พื้นฐานของเวกเตอร์ของรัฐที่พันกันมากที่สุด ซึ่งสามารถหาได้จากสถานะที่พันกันสูงสุดที่กำหนดและพื้นฐาน {Uk} ของ ตัวดำเนินการรวมกันเป็นที่น่าพอใจ tr(U †j Uk)=dδj, k . โปรโตคอลดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นสำหรับฮิลแบร์ตที่มีมิติ จำกัด ได้ช่องว่างของสิ่งที่เรียกว่า ระบบตัวแปรไม่ต่อเนื่อง
นอกจากนี้ การเทเลพอร์ตควอนตัมยังสามารถขยายไปยังระบบที่มีพื้นที่ฮิลแบร์ตอนันต์ซึ่งเรียกว่าระบบตัวแปรต่อเนื่อง ตามกฎแล้วจะรับรู้โดยโหมดออปติคัล bosonic ซึ่งสนามไฟฟ้าสามารถอธิบายได้โดยตัวดำเนินการพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส
ความเร็วและความไม่แน่นอน
ความเร็วของการเทเลพอร์ตควอนตัมคืออะไร? ข้อมูลถูกส่งด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับปริมาณการส่งสัญญาณแบบคลาสสิก - บางทีด้วยความเร็วแสง ในทางทฤษฎี สามารถใช้ในลักษณะที่คลาสสิกไม่สามารถทำได้ ตัวอย่างเช่น ในการคำนวณควอนตัม ซึ่งข้อมูลมีให้เฉพาะผู้รับเท่านั้น
การเคลื่อนย้ายควอนตัมละเมิดหลักการความไม่แน่นอนหรือไม่? ในอดีต นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ให้ความสำคัญกับแนวคิดเรื่องการเทเลพอร์ตมากนัก เพราะคิดว่าเป็นการละเมิดหลักการที่ว่ากระบวนการวัดหรือสแกนใดๆ จะไม่ดึงข้อมูลทั้งหมดของอะตอมหรือวัตถุอื่นๆ ตามหลักความไม่แน่นอน ยิ่งสแกนวัตถุได้แม่นยำมากเท่าใด ก็ยิ่งได้รับผลกระทบจากกระบวนการสแกนมากเท่านั้น จนกระทั่งถึงจุดที่สภาพดั้งเดิมของวัตถุถูกละเมิดจนไม่สามารถรับได้อีกต่อไป ข้อมูลเพียงพอที่จะสร้างสำเนาที่ถูกต้อง ฟังดูน่าเชื่อ: ถ้าบุคคลไม่สามารถดึงข้อมูลจากวัตถุเพื่อสร้างสำเนาที่สมบูรณ์แบบ ก็ไม่สามารถทำอันสุดท้ายได้
การเคลื่อนย้ายควอนตัมสำหรับหุ่น
แต่นักวิทยาศาสตร์ 6 คน (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez และ William Wuthers) ค้นพบทางแก้ไขตรรกะนี้โดยใช้คุณลักษณะที่มีชื่อเสียงและขัดแย้งกันของกลศาสตร์ควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อ Einstein-Podolsky- เอฟเฟกต์โรเซ่น พวกเขาพบวิธีที่จะสแกนข้อมูลบางส่วนของวัตถุ A ที่ถูกเทเลพอร์ต และโอนส่วนที่เหลือของส่วนที่ยังไม่ได้ตรวจสอบผ่านเอฟเฟกต์ที่กล่าวถึงไปยังวัตถุ C อื่นซึ่งไม่เคยสัมผัสกับ A
นอกจากนี้ การใช้อิทธิพลกับ C ที่ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่สแกน จะทำให้ C อยู่ในสถานะ A ก่อนสแกนได้ ตัว A นั้นไม่อยู่ในสถานะเดิมอีกต่อไปแล้ว เนื่องจากกระบวนการสแกนได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง ดังนั้น สิ่งที่ทำได้คือเทเลพอร์ต ไม่ใช่การจำลองแบบ
ต่อสู้เพื่อช่วง
- การเคลื่อนย้ายควอนตัมครั้งแรกดำเนินการในปี 1997 เกือบจะพร้อมกันโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอินส์บรุคและมหาวิทยาลัยโรม ในระหว่างการทดลอง โฟตอนดั้งเดิมซึ่งมีโพลาไรเซชันและโฟตอนพัวพันคู่หนึ่งถูกเปลี่ยนในลักษณะที่โฟตอนที่สองได้รับโพลาไรเซชันของโฟตอนดั้งเดิม ในกรณีนี้ โฟตอนทั้งสองอยู่ห่างจากกัน
- ในปี 2555 มีการเคลื่อนย้ายควอนตัมอีกครั้ง (จีน มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี) ผ่านทะเลสาบบนภูเขาสูงที่ระยะทาง 97 กม. ทีมนักวิทยาศาสตร์จากเซี่ยงไฮ้ นำโดย Huang Yin ได้พัฒนากลไกการกลับบ้านที่ทำให้สามารถเล็งลำแสงได้อย่างแม่นยำ
- ในเดือนกันยายนของปีเดียวกัน ได้ทำการเคลื่อนย้ายควอนตัมระยะทาง 143 กม. นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรียจากสถาบันวิทยาศาสตร์และมหาวิทยาลัยแห่งออสเตรียเวียนนาซึ่งนำโดย Anton Zeilinger ประสบความสำเร็จในการย้ายรัฐควอนตัมระหว่างหมู่เกาะคะเนรีสองแห่งของ La Palma และ Tenerife การทดลองใช้สายการสื่อสารด้วยแสงสองเส้นในพื้นที่เปิดโล่ง ควอนตัมและคลาสสิก โพลาไรซ์ความถี่ที่ไม่สัมพันธ์กันซึ่งพันกันของโฟตอนต้นทางคู่กัน เครื่องตรวจจับโฟตอนเดียวเสียงรบกวนต่ำพิเศษ และการซิงโครไนซ์นาฬิกาคู่
- ในปี 2558 นักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา ส่งข้อมูลผ่านใยแก้วนำแสงในระยะทางกว่า 100 กม. เป็นครั้งแรก สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยเครื่องตรวจจับโฟตอนเดียวที่สร้างขึ้นที่สถาบันโดยใช้สายนาโนที่มีตัวนำยิ่งยวดที่ทำจากโมลิบดีนัมซิลิไซด์
เป็นที่ชัดเจนว่ายังไม่มีระบบหรือเทคโนโลยีควอนตัมในอุดมคติ และการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ในอนาคตยังมาไม่ถึง อย่างไรก็ตาม เราสามารถพยายามระบุผู้สมัครที่เป็นไปได้ในการใช้งานเฉพาะของการเคลื่อนย้ายทางไกล การผสมข้ามพันธุ์ที่เหมาะสมของสิ่งเหล่านี้ ด้วยเฟรมเวิร์กและวิธีการที่ใช้ร่วมกันได้ สามารถให้อนาคตที่สดใสที่สุดสำหรับการเคลื่อนย้ายควอนตัมและการใช้งานของมัน
ระยะทางสั้น
เทเลพอร์ตในระยะทางสั้น ๆ (สูงสุด 1 ม.) เนื่องจากระบบย่อยการคำนวณควอนตัมมีแนวโน้มว่าจะใช้กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ สิ่งที่ดีที่สุดคือแผน QED โดยเฉพาะอย่างยิ่ง qubits ทรานส์มอนตัวนำยิ่งยวดสามารถรับประกันการเคลื่อนย้ายทางไกลบนชิปที่กำหนดได้และมีความแม่นยำสูง พวกเขายังอนุญาตให้ฟีดโดยตรงแบบเรียลไทม์ซึ่งดูมีปัญหากับชิปโฟโตนิก นอกจากนี้ ยังให้สถาปัตยกรรมที่ปรับขนาดได้มากขึ้นและบูรณาการเทคโนโลยีที่มีอยู่ได้ดีขึ้น เมื่อเทียบกับวิธีการก่อนหน้านี้ เช่น ไอออนที่ติดอยู่ ในปัจจุบัน ข้อเสียเปรียบเพียงประการเดียวของระบบเหล่านี้ดูเหมือนว่าจะมีเวลาในการเชื่อมโยงกันที่จำกัด (<100 µs) ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการรวมวงจร QED เข้ากับเซลล์หน่วยความจำแบบหมุนเซมิคอนดักเตอร์ (ที่มีตำแหน่งงานว่างแทนไนโตรเจนหรือผลึกเจือหายากของโลก) ซึ่งสามารถให้เวลานานในการจัดเก็บข้อมูลควอนตัม การใช้งานนี้เป็นเรื่องของความพยายามอย่างมากจากชุมชนวิทยาศาสตร์
การสื่อสารในเมือง
การสื่อสารทางไกลในระดับเมือง (หลายกิโลเมตร) สามารถพัฒนาได้โดยใช้โหมดออปติคัล ด้วยการสูญเสียที่ต่ำเพียงพอ ระบบเหล่านี้จึงมีความเร็วและแบนด์วิธสูง สามารถขยายจากการใช้งานเดสก์ท็อปไปจนถึงระบบระดับกลางที่ทำงานผ่านอากาศหรือไฟเบอร์ โดยสามารถรวมเข้ากับหน่วยความจำควอนตัมทั้งมวลได้ ระยะทางไกลขึ้นแต่ความเร็วต่ำกว่าสามารถทำได้ด้วยวิธีไฮบริดหรือโดยการพัฒนาตัวทำซ้ำที่ดีตามกระบวนการที่ไม่ใช่แบบเกาส์เซียน
การสื่อสารทางไกล
การเคลื่อนย้ายควอนตัมระยะไกล (มากกว่า 100 กม.) เป็นพื้นที่ใช้งาน แต่ก็ยังประสบปัญหาเปิดอยู่ โพลาไรซ์ qubits -ผู้ให้บริการที่ดีที่สุดสำหรับการเทเลพอร์ตด้วยความเร็วต่ำผ่านลิงค์ไฟเบอร์ยาวและทางอากาศ แต่โปรโตคอลในปัจจุบันมีความน่าจะเป็นเนื่องจากการตรวจจับเบลล์ที่ไม่สมบูรณ์
ในขณะที่การเคลื่อนย้ายความน่าจะเป็นและความพัวพันเป็นที่ยอมรับได้สำหรับปัญหาต่างๆ เช่น การกลั่นสิ่งกีดขวางและการเข้ารหัสควอนตัม สิ่งนี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากการสื่อสาร ซึ่งอินพุตต้องถูกเก็บรักษาไว้อย่างสมบูรณ์
หากเรายอมรับความน่าจะเป็นเช่นนี้ การใช้งานดาวเทียมก็อยู่ไม่ไกลเกินเอื้อมของเทคโนโลยีสมัยใหม่ นอกเหนือจากการรวมวิธีการติดตามแล้ว ปัญหาหลักคือความสูญเสียสูงที่เกิดจากการแพร่กระจายของลำแสง สิ่งนี้สามารถเอาชนะได้ในรูปแบบที่มีการกระจายสิ่งกีดขวางจากดาวเทียมไปยังกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ สมมติว่าช่องรับสัญญาณดาวเทียมกว้าง 20 ซม. ที่ระดับความสูง 600 กม. และรูรับแสงกล้องโทรทรรศน์ 1 ม. บนพื้นดิน การสูญเสียดาวน์ลิงก์ประมาณ 75 dB อาจเกิดขึ้นได้ ซึ่งน้อยกว่าการสูญเสีย 80 dB ที่ระดับพื้นดิน การใช้งานภาคพื้นดินสู่ดาวเทียมหรือดาวเทียมสู่ดาวเทียมนั้นซับซ้อนกว่า
หน่วยความจำควอนตัม
การใช้เทเลพอร์ตในอนาคตเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายที่ปรับขนาดได้โดยตรงขึ้นอยู่กับการรวมเข้ากับหน่วยความจำควอนตัม ส่วนหลังควรมีอินเทอร์เฟซการแผ่รังสีต่อสสารที่ยอดเยี่ยมในแง่ของประสิทธิภาพการแปลง ความแม่นยำในการบันทึกและการอ่าน เวลาในการจัดเก็บและแบนด์วิธ ความเร็วสูงและความจุในการจัดเก็บ อันดับแรกในทางกลับกัน สิ่งนี้จะช่วยให้ใช้รีเลย์เพื่อขยายการสื่อสารได้ไกลเกินกว่าการส่งสัญญาณโดยตรงโดยใช้รหัสแก้ไขข้อผิดพลาด การพัฒนาหน่วยความจำควอนตัมที่ดีจะไม่เพียงแต่ช่วยกระจายสิ่งกีดขวางบนเครือข่ายและการสื่อสารทางไกล แต่ยังประมวลผลข้อมูลที่เก็บไว้ในลักษณะที่สอดคล้องกัน ในที่สุด สิ่งนี้สามารถเปลี่ยนเครือข่ายให้กลายเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่กระจายไปทั่วโลกหรือเป็นพื้นฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัมในอนาคต
แนวโน้มการพัฒนา
กลุ่มอะตอมได้รับการพิจารณาว่าน่าดึงดูดเนื่องจากการแปลงแสงเป็นสสารอย่างมีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานเป็นมิลลิวินาที ซึ่งอาจสูงถึง 100 มิลลิวินาทีที่จำเป็นในการส่งแสงในระดับโลก อย่างไรก็ตาม คาดว่าการพัฒนาที่มีแนวโน้มมากขึ้นในปัจจุบันจะขึ้นอยู่กับระบบเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งหน่วยความจำควอนตัมสปินทั้งมวลที่ยอดเยี่ยมจะถูกรวมเข้ากับสถาปัตยกรรมวงจร QED ที่ปรับขนาดได้โดยตรง หน่วยความจำนี้ไม่เพียงแต่สามารถขยายเวลาการเชื่อมโยงกันของวงจร QED เท่านั้น แต่ยังให้อินเทอร์เฟซไมโครเวฟแบบออปติคัลสำหรับการแปลงโฟตอนไมโครเวฟแบบออปติกเทเลคอมและชิปไมโครเวฟด้วย
ดังนั้น การค้นพบในอนาคตของนักวิทยาศาสตร์ในด้านอินเทอร์เน็ตควอนตัมน่าจะอาศัยการสื่อสารด้วยแสงระยะไกลร่วมกับโหนดเซมิคอนดักเตอร์เพื่อประมวลผลข้อมูลควอนตัม