La teletransportación cuántica es uno de los protocolos más importantes en la información cuántica. Basado en el recurso físico del entrelazamiento, sirve como elemento principal de varias tareas de información y es un componente importante de las tecnologías cuánticas, desempeñando un papel clave en el desarrollo posterior de la computación cuántica, las redes y la comunicación.
De la ciencia ficción al descubrimiento de los científicos
Han pasado más de dos décadas desde el descubrimiento de la teletransportación cuántica, que es quizás una de las consecuencias más interesantes y emocionantes de la "extrañeza" de la mecánica cuántica. Antes de que se hicieran estos grandes descubrimientos, esta idea pertenecía al ámbito de la ciencia ficción. Acuñado por primera vez en 1931 por Charles H. Fort, el término "teletransportación" se ha utilizado desde entonces para referirse al proceso mediante el cual los cuerpos y objetos se transfieren de un lugar a otro sin recorrer la distancia entre ellos.
En 1993, se publicó un artículo que describía el protocolo de información cuántica, llamado"teletransportación cuántica", que compartía varias de las características enumeradas anteriormente. En él, se mide el estado desconocido de un sistema físico y posteriormente se reproduce o "reensambla" en una ubicación remota (los elementos físicos del sistema original permanecen en el sitio de transmisión). Este proceso requiere medios clásicos de comunicación y excluye la comunicación FTL. Necesita un recurso de enredo. De hecho, la teletransportación puede verse como un protocolo de información cuántica que demuestra más claramente la naturaleza del entrelazamiento: sin su presencia, tal estado de transmisión no sería posible dentro del marco de las leyes que describen la mecánica cuántica.
La teletransportación juega un papel activo en el desarrollo de la ciencia de la información. Por un lado, es un protocolo conceptual que juega un papel decisivo en el desarrollo de la teoría de la información cuántica formal y, por otro lado, es un componente fundamental de muchas tecnologías. El repetidor cuántico es un elemento clave de la comunicación a larga distancia. La teletransportación del interruptor cuántico, la computación basada en dimensiones y las redes cuánticas son todos derivados de él. También se usa como una herramienta simple para estudiar física "extrema" con respecto a las curvas de tiempo y la evaporación de agujeros negros.
Hoy, la teletransportación cuántica se ha confirmado en laboratorios de todo el mundo utilizando muchos sustratos y tecnologías diferentes, incluidos qubits fotónicos, resonancia magnética nuclear, modos ópticos, grupos de átomos, átomos atrapados ysistemas semiconductores. Se han logrado resultados sobresalientes en el campo del rango de teletransportación, se avecinan experimentos con satélites. Además, los intentos han comenzado a escalar a sistemas más complejos.
Teletransportación de qubits
La teletransportación cuántica se describió por primera vez para sistemas de dos niveles, los llamados qubits. El protocolo considera dos partes distantes, llamadas Alice y Bob, que comparten 2 qubits, A y B, en un estado entrelazado puro, también llamado par Bell. En la entrada, Alice recibe otro qubit a, cuyo estado ρ se desconoce. Luego realiza una medición cuántica conjunta llamada detección de Bell. Lleva a y A a uno de los cuatro estados de Bell. Como resultado, el estado del qubit de entrada de Alice desaparece durante la medición y el qubit B de Bob se proyecta simultáneamente en Р†kρP k. En la última etapa del protocolo, Alice envía el resultado clásico de su medición a Bob, quien usa el operador de Pauli Pk para restaurar el original ρ.
El estado inicial del qubit de Alice se considera desconocido, porque de lo contrario el protocolo se reduce a su medición remota. Alternativamente, puede ser parte de un sistema compuesto más grande compartido con un tercero (en cuyo caso, la teletransportación exitosa requiere reproducir todas las correlaciones con ese tercero).
Un experimento típico de teletransportación cuántica asume que el estado inicial es puro y pertenece a un alfabeto limitado,por ejemplo, los seis polos de la esfera de Bloch. En presencia de decoherencia, la calidad del estado reconstruido se puede cuantificar mediante la precisión de teletransportación F ∈ [0, 1]. Esta es la precisión entre los estados de Alice y Bob, promediada sobre todos los resultados de detección de Bell y el alfabeto original. Con valores de precisión bajos, existen métodos que permiten la teletransportación imperfecta sin utilizar un recurso ofuscado. Por ejemplo, Alice puede medir directamente su estado inicial enviando los resultados a Bob para preparar el estado resultante. Esta estrategia de medición y preparación se llama "teletransportación clásica". Tiene una precisión máxima de Fclass=2/3 para un estado de entrada arbitrario, lo que equivale a un alfabeto de estados mutuamente imparciales, como los seis polos de una esfera de Bloch.
Por lo tanto, una indicación clara del uso de recursos cuánticos es el valor de precisión F> Fclase.
Ni un solo qubit
Según la física cuántica, la teletransportación no se limita a qubits, puede incluir sistemas multidimensionales. Para cada dimensión finita d, se puede formular un esquema de teletransportación ideal utilizando una base de vectores de estado entrelazados al máximo, que se pueden obtener a partir de un estado entrelazado máximo dado y una base {Uk} de operadores unitarios que satisfacen tr(U †j Uk)=dδj, k . Tal protocolo se puede construir para cualquier Hilbert de dimensión finitaespacios de los llamados. sistemas de variables discretas.
Además, la teletransportación cuántica también se puede extender a sistemas con un espacio de Hilbert de dimensión infinita, llamados sistemas de variable continua. Por regla general, se realizan mediante modos bosónicos ópticos, cuyo campo eléctrico puede describirse mediante operadores de cuadratura.
Principio de velocidad e incertidumbre
¿Cuál es la velocidad de la teletransportación cuántica? La información se transmite a una velocidad similar a la de la misma cantidad de transmisión clásica, quizás a la velocidad de la luz. Teóricamente, se puede usar de maneras que el clásico no puede, por ejemplo, en la computación cuántica, donde los datos solo están disponibles para el destinatario.
¿La teletransportación cuántica viola el principio de incertidumbre? En el pasado, los científicos no se tomaban muy en serio la idea de la teletransportación porque se pensaba que violaba el principio de que cualquier proceso de medición o escaneo no extraería toda la información de un átomo u otro objeto. De acuerdo con el principio de incertidumbre, cuanto más exactamente se escanea un objeto, más se ve afectado por el proceso de escaneo, hasta que se llega a un punto en el que se viola el estado original del objeto hasta tal punto que ya no es posible obtenerlo. suficiente información para crear una copia exacta. Esto suena convincente: si una persona no puede extraer información de un objeto para crear una copia perfecta, entonces no se puede hacer la última.
Teletransportación cuántica para tontos
Pero seis científicos (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez y William Wuthers) encontraron una forma de sortear esta lógica utilizando la característica famosa y paradójica de la mecánica cuántica conocida como Einstein-Podolsky- Efecto Rosen. Encontraron una forma de escanear parte de la información del objeto teletransportado A, y transferir el resto de la parte no verificada a través del mencionado efecto a otro objeto C, que nunca ha estado en contacto con A.
Además, aplicando a C una influencia que depende de la información escaneada, puede poner a C en el estado A antes de escanear. A en sí mismo ya no está en el mismo estado, ya que ha sido completamente cambiado por el proceso de escaneo, por lo que lo que se ha logrado es la teletransportación, no la replicación.
Lucha por el rango
- La primera teletransportación cuántica fue realizada en 1997 casi simultáneamente por científicos de la Universidad de Innsbruck y la Universidad de Roma. Durante el experimento, el fotón original, que tiene una polarización, y uno del par de fotones entrelazados, se cambiaron de tal manera que el segundo fotón recibió la polarización del original. En este caso, ambos fotones estaban a una distancia el uno del otro.
- En 2012 tuvo lugar otra teletransportación cuántica (China, Universidad de Ciencia y Tecnología) a través de un lago de alta montaña a una distancia de 97 km. Un equipo de científicos de Shanghái, dirigido por Huang Yin, logró desarrollar un mecanismo de referencia que hizo posible apuntar con precisión el rayo.
- En septiembre del mismo año, se llevó a cabo una teletransportación cuántica récord de 143 km. Científicos austriacos de la Academia de Ciencias de Austria y la UniversidadViena, dirigida por Anton Zeilinger, transfirió con éxito estados cuánticos entre las dos Islas Canarias de La Palma y Tenerife. El experimento utilizó dos líneas de comunicación óptica en espacio abierto, cuántica y clásica, par de fotones fuente entrelazados con polarización no correlacionada de frecuencia, detectores de fotón único de ruido ultrabajo y sincronización de reloj acoplado.
- En 2015, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. transmitieron por primera vez información a una distancia de más de 100 km a través de fibra óptica. Esto fue posible gracias a los detectores de fotones individuales creados en el instituto, utilizando nanocables superconductores hechos de siliciuro de molibdeno.
Está claro que el sistema o tecnología cuántica ideal aún no existe y los grandes descubrimientos del futuro están por llegar. Sin embargo, se puede intentar identificar posibles candidatos en aplicaciones específicas de teletransportación. La hibridación adecuada de estos, dado un marco y métodos compatibles, podría proporcionar el futuro más prometedor para la teletransportación cuántica y sus aplicaciones.
Distancias cortas
La teletransportación en distancias cortas (hasta 1 m) como subsistema de computación cuántica es prometedora para los dispositivos semiconductores, el mejor de los cuales es el esquema QED. En particular, los qubits transmon superconductores pueden garantizar una teletransportación en chip determinista y de alta precisión. También permiten alimentación directa en tiempo real, queparece problemático en los chips fotónicos. Además, proporcionan una arquitectura más escalable y una mejor integración de las tecnologías existentes en comparación con los enfoques anteriores, como los iones atrapados. Actualmente, el único inconveniente de estos sistemas parece ser su limitado tiempo de coherencia (<100 µs). Este problema se puede resolver integrando el circuito QED con celdas de memoria de ensamblaje de espín de semiconductores (con vacantes sustituidas con nitrógeno o cristales dopados con tierras raras), que pueden proporcionar un tiempo de coherencia prolongado para el almacenamiento de datos cuánticos. Esta implementación es actualmente objeto de mucho esfuerzo por parte de la comunidad científica.
Comunicación de la ciudad
La comunicación de teletransportación a escala de ciudad (varios kilómetros) podría desarrollarse utilizando modos ópticos. Con pérdidas suficientemente bajas, estos sistemas proporcionan altas velocidades y ancho de banda. Pueden extenderse desde implementaciones de escritorio hasta sistemas de rango medio que operan por aire o fibra, con posible integración con memoria cuántica de conjunto. Se pueden lograr distancias más largas pero velocidades más bajas con un enfoque híbrido o desarrollando buenos repetidores basados en procesos no gaussianos.
Comunicación a larga distancia
La teletransportación cuántica de larga distancia (más de 100 km) es un área activa, pero todavía sufre de un problema abierto. qubits de polarización -los mejores operadores para la teletransportación de baja velocidad a través de enlaces de fibra larga y por aire, pero el protocolo actualmente es probabilístico debido a la detección incompleta de Bell.
Si bien la teletransportación probabilística y los enredos son aceptables para problemas como la destilación de entrelazamiento y la criptografía cuántica, esto es claramente diferente de la comunicación, en la que la entrada debe conservarse por completo.
Si aceptamos esta naturaleza probabilística, las implementaciones de satélites están al alcance de la tecnología moderna. Además de la integración de los métodos de seguimiento, el principal problema son las altas pérdidas provocadas por la dispersión del haz. Esto se puede superar en una configuración en la que el entrelazamiento se distribuye desde el satélite hasta los telescopios terrestres de gran apertura. Suponiendo una apertura de satélite de 20 cm a 600 km de altitud y una apertura de telescopio de 1 m en el suelo, se puede esperar una pérdida de enlace descendente de unos 75 dB, que es inferior a la pérdida de 80 dB a nivel del suelo. Las implementaciones de tierra a satélite o de satélite a satélite son más complejas.
Memoria cuántica
El uso futuro de la teletransportación como parte de una red escalable depende directamente de su integración con la memoria cuántica. Este último debe tener una excelente interfaz radiación-materia en términos de eficiencia de conversión, precisión de registro y lectura, tiempo de almacenamiento y ancho de banda, alta velocidad y capacidad de almacenamiento. PrimeroA su vez, esto permitirá el uso de relés para ampliar la comunicación mucho más allá de la transmisión directa mediante códigos de corrección de errores. El desarrollo de una buena memoria cuántica permitiría no solo distribuir el entrelazamiento por la red y la comunicación de teletransportación, sino también procesar la información almacenada de manera coherente. En última instancia, esto podría convertir la red en una computadora cuántica distribuida globalmente o en la base para una futura Internet cuántica.
Desarrollos prometedores
Los conjuntos atómicos se han considerado tradicionalmente atractivos debido a su eficiente conversión de luz en materia y su vida útil de milisegundos, que puede llegar a los 100 ms necesarios para transmitir luz a escala global. Sin embargo, hoy en día se esperan desarrollos más prometedores basados en sistemas de semiconductores, donde la excelente memoria cuántica de conjunto de espín se integra directamente con la arquitectura de circuito QED escalable. Esta memoria no solo puede extender el tiempo de coherencia del circuito QED, sino que también proporciona una interfaz de microondas óptica para la interconversión de fotones de microondas de chips y telecomunicaciones ópticas.
Por lo tanto, es probable que los futuros descubrimientos de los científicos en el campo de la Internet cuántica se basen en la comunicación óptica de largo alcance junto con nodos semiconductores para procesar la información cuántica.
