Фундамент квантового интернета: телепортация кубита
Интернет сейчас и интернет двадцать лет тому назад хоть и обладают общими чертами, но все же различны. То же самое можно сказать и любой другой технологии, которая продолжала совершенствоваться из года в год. Мы уже не пользуемся дискетами для хранения данных и не загружаем сайты по несколько минут через dial-up. Но, как говорится, нет пределу совершенства. Ученым из Делфтского технического университета (Нидерланды) удалось телепортировать кубит, что может стать основой для будущего квантового интернета. Как именно была реализована телепортация, где она была выполнена, и как именно это можно использовать для построения квантовых сетей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Как говорят ученые, квантовая телепортация — это основная процедура для надежной отправки кубитов по сетевым каналам, а также фундаментальный базис протоколов и приложений квантовых сетей. Используя телепорт в виде предварительно разделенного запутанного состояния, квантовая информация передается путем выполнения совместного измерения состояния Белла (BSM от Bell-state measurement) в части запутанного состояния отправителя и состояния кубита, которое необходимо телепортировать. Состояние восстанавливается на принимающем узле с помощью операции шлюза, обусловленной результатом BSM. Поскольку квантовая информация не передается физическим носителем, протокол нечувствителен к потерям в соединительных фотонных каналах и на промежуточных узлах. Детерминированный BSM в сочетании с прямой связью в реальном времени обеспечивает безусловную телепортацию, при которой передача состояния достигается каждый раз, когда состояние кубита вкладывается в телепорт.
Первые шаги на пути квантовой телепортации были сопряжены с использованием фотонных состояний. Вслед за развитием узлов квантовой сети со стационарными кубитами была реализована дистанционная телепортация кубитов между захваченными ионами, захваченными атомами, алмазными азотно-вакансионными (NV от nitrogen-vacancy) центрами и узлами памяти на основе атомных ансамблей.
Ученые отмечают, что хоть будущие квантовые сетевые приложения будут широко использовать телепортацию между неподключенными узлами в сети, жесткий набор требований к предварительному совместному запутыванию, BSM и времени когерентности для обеспечения прямой связи в реальном времени до сих пор тормозил реализацию телепортации за пределы непосредственно связанных стационарных узлов сети.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые смогли обойти эти ограничения с помощью набора ключевых нововведений, в результате чего им удалось достичь телепортации кубитов между несоседними узлами сети (1а). Исследуемая квантовая сеть состояла из трех узлов в линейной конфигурации: Алиса, Боб и Чарли. Каждый из узлов содержал NV центр внутри алмаза.
Изображение №1
На 1b показаны этапы протокола телепортации. Чтобы подготовить телепорт, был использован протокол обмена запутанностью, опосредованный Бобом, аналогичный протоколу квантового повторителя, чтобы установить запутанность между Алисой и Чарли. Как только сообщается об успешной подготовке телепорта, состояние входного кубита подготавливается на Чарли и, наконец, телепортируется к Алисе.
Результаты исследования
Ключевым параметром квантовой телепортации является точность предварительно разделенного запутанного состояния между Алисой и Чарли. Поскольку это состояние генерируется путем замены запутанности, его достоверность можно повысить, уменьшив количество ошибок в отдельных связях. Используемая сеть создает запутанность между соседними узлами с использованием однофотонного протокола в архитектуре с оптической фазовой стабилизацией. Строительным блоком этого протокола является запутанное состояние кубит-фотон, создаваемое в каждом узле.
Чтобы сгенерировать это запутанное состояние, коммуникационный кубит инициализируется в состоянии суперпозиции |ψ⟩ = √α|0⟩ + √(1 − α)|1⟩, после чего применяется селективный по состоянию оптический импульс, который переводит популяцию из |0⟩ в оптически возбужденное состояние. После спонтанного излучения состояние кубита запутывается с числом фотона (0 или 1 фотон).
Этот протокол выполнялся на обоих узлах, а резонансные фотонные состояния интерферировались на светоделителе (2a).
Изображение №2
Обнаружение одиночного фотона в одном из выходных портов идеально предвещает генерацию запутанного состояния |ψ⟩ = (|01⟩ ± |10⟩)/√2, в котором фаза ± устанавливается сработавшим детектором. На 2b показаны совместные результаты измерений кубитов в вычислительной базе после активации запутанности, показывающие ожидаемые корреляции.
Неверность* сгенерированного состояния имеет три основных вклада: двойное заполнение состояния |0⟩, двойное оптическое возбуждение и конечная различимость фотонов.
Верность квантовых состояний* — мера «близости» двух квантовых состояний. Она выражает вероятность того, что одно состояние пройдет проверку и будет идентифицироваться как другое.
В случае двойной занятости состояния |0⟩ (что происходит с вероятностью α) оба коммуникационных кубита находятся в состоянии |0⟩ и испускают фотон. Обнаружение одного из этих фотонов приводит к ложному обнаружению запутанного состояния. Второй эффект, двойное возбуждение, связан с конечной длительностью оптического импульса по сравнению с оптическим временем жизни излучателя. Существует конечная вероятность того, что коммуникационный кубит излучает фотон во время этого импульса, впоследствии повторно возбуждается, а затем испускает еще один фотон, в результате чего состояние кубита оказывается запутанным с двумя фотонами. Обнаружение или потеря первого фотона разрушает когерентность запутанного состояния кубит-фотон, а обнаружение второго фотона может затем ложно отмечать генерацию запутанного состояния.
Стоит отметить, что ложные обнаружения, вызванные двойной занятостью состояния |0⟩ и двойным возбуждением, сопровождаются дополнительным испускаемым фотоном. Следовательно, обнаружение этого дополнительного фотона позволяет однозначно идентифицировать такие события и, таким образом, исключать ложные оповещения в реальном времени.
Такая схема исключения была реализована посредством контроля пути обнаружения нерезонансной фононной боковой полосы (PSB от phonon-side band) на обеих установках во время и после оптического возбуждения (2a). Чтобы исследовать эффект этой схемы, ученые генерировали запутанность на отдельных каналах и извлекали события, отмечающие запутанность, для которых PSB мониторинг отмечал присутствие дополнительного фотона. Для этих событий проводился анализ соответствующих измерений кубитов (2c).
Было выделено два отдельных режима: во время оптического импульса (фиолетовый) и после оптического импульса (желтый). Когда на детекторе PSB Алисы (или Боба) во время оптического импульса регистрируется фотон, видно, что выход 01(10) наиболее вероятен (отмечено фиолетовым на 2c). Это показывает, что только одна установка находилась в состоянии |0⟩ и, следовательно, что оба обнаруженных фотона исходят от Алисы (или от Боба). Таким образом, обнаружение фотонов PSB во время оптического импульса в первую очередь указывает на ошибки двойного возбуждения.
Напротив, когда фотон регистрируется после оптического импульса в детекторе PSB Алисы или Боба, результат 00 наиболее вероятен (отмечено желтым 2c). Это указывает на то, что обе установки находились в состоянии |0⟩ и излучали фотон. Таким образом, обнаружение фотона PSB после оптического импульса указывает на ошибку двойной занятости состояния |0⟩. Результаты, показанные на 2c, были обнаружены и для запутанных состояний, генерируемых на линии Бою-Чарли.
Третий основной источник неточности, конечная различимость, может возникать из-за расстройки частот между излучаемыми фотонами. В то время как большая часть этих расстроек устраняется заранее с помощью проверки зарядового резонанса (CR от charge-resonance) перед запуском протокола, коммуникационные кубиты могут по-прежнему подвергаться небольшой спектральной диффузии. В используемом однофотонном протоколе это приводит к расфазировке, которая сильнее для фотонов, которые обнаруживаются позже по сравнению с оптическим импульсом. Сокращая окно обнаружения, можно повысить точность запутанного состояния за счет более низкой скорости запутывания. Посему было решено использовать ширину окна в 15 нс. На 2d обобщены измеренные улучшения на отдельных каналах и предполагаемое влияние на точность запутанного состояния Алисы-Чарли. Увеличение на ≈3% играет важную роль в повышении точности телепортации.
При подготовке телепорта запутанная связь Алиса-Боб надежно хранится в кубите памяти посредством прерывания последовательности и ее повторного формирования, когда запутанное состояние Боб-Чарли не обнаруживается в течение фиксированного количества попыток (тайм-аут).
Кубитами памяти 13C можно с высокой точностью управлять с помощью кубита связи. Ранее проведенные исследования показали, что в магнитном поле 189 мТл попытки генерации запутанности с коммуникационным кубитом не ограничивают время дефазировки памяти T*2, что в перспективе позволяет существенного увеличить время сохранения памяти с активной защитой когерентности.
Изображение №3
Данная защита была реализована путем интеграции разъединяющего π-импульса на кубите памяти в экспериментальную последовательность, которая следует за событием обнаружения, при этом гарантируя, что все фазы, которые подхватываются из-за вероятностного характера удаленного процесса запутывания, компенсируются в реальном времени (3a).
На 3b показаны результаты проверки производительности вышеописанной последовательности при постоянном состоянии суперпозиции в кубите памяти. Было выявлено, что без разъединяющего импульса затухание длины блоховского вектора не изменяется попытками запутывания. Напротив, когда применяется импульс, затухание замедляется почти в 6 раз. Это дает константу затухания N1/e, равную ≈5300 попыткам запутывания, что является самым высоким числом, зарегистрированным на сегодняшний день для алмазных устройств.
Стоит отметить, что высокоточное считывание кубита памяти требуется как при подготовке телепорта (у Боба), так и во время самого протокола телепортации (у Чарли). Кубит памяти считывается путем сопоставления его состояния с коммуникационным кубитом с использованием квантовой логики, за которым следует однократное считывание коммуникационного кубита с использованием оптического возбуждения и обнаружения, зависимых от состояния.
Из-за ограниченной эффективности сбора фотонов (≈10%) и конечной цикличности оптического перехода (≈99%) точность считывания коммуникационного кубита различна для |0⟩ и |1⟩ и вероятность присвоения правильного состояния значительно выше, если был обнаружен один или несколько фотонов (присвоенный результат 0), чем если бы фотоны не были обнаружены (присвоенный результат 1).
Ранее ученым удалось обойти это ограничение, обусловив получение именно результата 0. Однако такой подход плохо масштабируется, поскольку вызывает преждевременное прерывание протокола с вероятностью >50% при каждом считывании кубита памяти. Решением этой проблемы стало повторяющееся считывание кубита памяти (3c), т. е. поочередное сопоставление вычислительных базовых состояний кубита памяти с состоянием коммуникационного кубита |0⟩. На 3d показана верность n-го повторения считывания для двух начальных состояний кубита памяти на Бобе. Каждое повторное считывание снижало верность всего лишь на 1%, что говорит о возможности нескольких считываний без каких-либо значимых потерь.
Затем назначалось состояние за счет первого считывания, а последовательность продолжалась только в том случае, если последующие считывания согласовывались с первым. На 3e показана верность считывания, полученная в результате вышеописанной методики. Использования двух считываний уже было достаточно, чтобы снизить погрешность с 6% до 1%. В результате верность для Боба составила 99.2%, а для Чарли — 98.1%, вероятность продолжения последовательности составила 88%.
Изображение №4
После внедрения в систему всех вышеописанных улучшений ученые приступили к фактической реализации протокола телепортации (4a).
Первым делом создавалась запутанность между Алисой и Бобом, сохраняя часть запутанного состояния Боба в кубите памяти посредством скомпилированной операции SWAP.
Далее генерировалась запутанность между Бобом и Чарли, сохраняя при этом первое запутанное состояние кубита памяти с последовательностью импульсов. Затем выполнялось BSM для Боба с последующей проверкой CR.
Последовательность продолжалась, если считывание коммуникационного кубита давало результат 0, считывание кубита памяти давало согласованный результат, а проверка CR была успешно пройдена.
На Чарли выполнялся квантовый вентиль*, который зависит от результата BSM и от того, какие детекторы активировались во время генерации двухузловой запутанности.
Квантовый вентиль* — базовый элемент квантового компьютера, преобразующий входные состояния кубита на выходные.
Затем состояние запутанности переносилось на кубит памяти. В этот момент телепорт готов, а Алиса и Чарли находятся в запутанном состоянии с оценочной верностью в 0.61.
Далее на коммуникационном кубите Чарли генерировалось состояние кубита для телепортации (|ψ⟩) и запускался протокол телепортации. BSM выполняется на кубитах связи и памяти в Чарли. За исключением непосредственно самой телепортации, последовательность продолжалась только тогда, когда был получен результат 0 на коммуникационном кубите, когда есть последовательный шаблон считывания на кубите памяти и когда Чарли проходит проверку CR. Считывания BSM отправлялись Алисе, и, применяя соответствующую вентильную операцию, система получала |ψ⟩ на стороне Алисы.
Ученые произвели телепортацию шести кардинальных состояний (±X, ±Y, ±Z), которые образуют несмещенный набор, после чего измерили верность телепортированных состояний (4b). Средняя верность составила 0.702(11) при экспериментальной скорости 1/(117 с).
Различия в верности между телепортированными состояниями возникают из-за взаимодействия ошибок в разных частях протокола, которые либо влияют на все три оси (ошибки деполяризации), либо влияют только на две оси (ошибки дефазировки). На 4c показана верность телепортации для каждого из возможных результатов BSM.
В заключение ученые продемонстрировали, что сеть может обеспечить безусловную телепортацию между Алисой и Чарли, используя BSM детерминированным образом. Для этого протокол на Чарли был пересмотрен, чтобы учитывать оба результата кубита связи (1 и 0), использовать все шаблоны считывания кубита памяти и игнорировать результат проверки CR после BSM. Использование этого полностью детерминированного BSM снижает среднюю точность телепортации на несколько процентов (4d). Однако, как говорилось ранее, уменьшение ширины окна обнаружения может исправить эту проблему. В результате было установлено, что средняя верность телепортации действительно увеличивается с уменьшением окна и достигает 0.688(10) при 7.5 нс и скорости 1/(100 с). Следовательно, квантовая сеть способна выполнять телепортацию за пределами классических ограничений, даже при строгом условии, что каждое состояние, интегрированное в телепорт, должно быть передано.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученым удалось успешно телепортировать кубит между двумя несвязанными между собой узлами, названными Алиса и Чарли. Сам процесс телепортации осуществлялся в несколько этапов. Прежде всего необходимо было подготовить сам телепорт, т. е. создать запутанное состояние между Алисой и Чарли, которые не были физически связаны напрямую друг с другом, но оба были связаны с узлом по имени Боб. Чтобы создать запутанное состояние между Алисой и Чарли, необходимо было создать запутанное состояние между Алисой и Бобом. Затем Боб, сохраняя часть этого состояния, создавал запутанное состояние с Чарли. Другими словами, Боб выступал в роли переговорщика или посредника, устанавливающего связь между Алисой и Чарли.
Когда телепорт готов, необходимо по нему что-то отправить, а именно кубит, который генерировался в Чарли. И, наконец, сама телепортация. Для этого Чарли производит одновременное измерение на своем квантовом процессе и на своей запутанной половине (вторая половина у Алисы). В результате этого измерения информация на стороне Чарли «исчезает» и «появляется» на стороне Алисы. Завершает это процесс расшифровка переданной информации на стороне Алисы, так как она была изначально зашифрована (ключ к шифру определяется результатом измерения Чарли).
Несмотря на то, что подобные процессы, как и вся квантовая физика, вызывают головокружение и полное переосмысление бытия, результаты таких исследований могут разительным образом отразиться на нашей жизни. В будущем ученые намерены усовершенствовать свой телепорт, поменяв вышеописанные шаги процедуры местами. Другими словами, сначала получается кубит, а потом идет подготовка телепортации. Это крайне сложно, так как квантовая информация, которая должна быть телепортирована, должна храниться во время создания запутанности. Плюсами такого варианта протокола является возможность телепортировать данные в любой момент и делать это неоднократно.
Пока это лишь первые шаги, которые для широкой общественности практически ничего не значат. Однако в будущем подобного рода исследования могут стать основой для квантового интернета, который однозначно повлияет на множество аспектов жизни нашей цивилизации.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
