Ma még csak mikrohullámokat teleportálsz 42 centire, de 10 év múlva egymilliószor gyorsabb lesz a géped a leggyorsabb mai pc-nél

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Német, finn és japán tudósok a Müncheni Műszaki Egyetem kvantuminformatikai szakértője, Kirill G. Fedorov vezetésével kétmódú préselésre (two-mode squeezing) és analóg előrecsatolásra (feed forward) épülő kvantumteleportációs eljárást dolgoztak ki, ami közvetlen fizikai kapcsolat nélkül továbbíthat koherens mikrohullám-állapotokat. Mivel a kísérlet teleportációs hűségértéke (0,689+0,004) több volt az aszimptotikus nem-klónozási küszöbénél, a kutatók nem vizsgálhatták a kvantumállapotokat a klasszikus hibakereső- és -javító eszközökkel, de Fedorov és munkatársai szerint a továbbítani kívánt kvantumállapot a teleportálás utan is fennmaradt – írta január 4-én a Phys.org.

Hogy micsoda? Most vegyünk egy nagy levegőt, és haladjunk szépen, sorjában, címszavanként!

1.  Kvantumszámítógép (quantum computer, QC)

A kvantuminformatika a számítástudomány ígéretes, gyorsan fejlődő területe, de túl elméleti, túl komplex és túl jövőfókuszú ahhoz, hogy tömegek érdeklődjenek iránta. Az elméleti munkák és a téma szakértői egyetértenek abban, hogy ha 10 év múlva lesznek működő kvantumszámítógépek, azok egymilliószor gyorsabbak lesznek, mint a használt pc-k. De arra a derűlátó elemzők sem vállalkoznak, hogy 10 évnél korábbra jósolják at első működő kvantumszámítógép elkészülését. Ma is léteznek kvantumrendszerek és számítógép-prototípusok, illetve kísérleti hardverek és új programozási nyelvek, de A Gépre még várni kell.

A kvantumszámítógép információs alapegységei a kvantumbitek (qubit); ezeket a mikroszkopikus részecskéket a kvantumrendszerek bonyolult kontrolleszközök terelgetik. A kvantumszámítógép-fejlesztés ma még gyerekcipőben jár, és ez az architektúrák sokszínűségén is meglátszik: egy kvantumrendszer épülhet

  • ioncsapdákra (optikai-mágneses működési elvvel);
  • optikai csapdákra (ami kvantumszerű fényrészecskéket hasznosít);
  • a quantum dotra (a félvezetőanyagokból épült elektron-manipulátor rendszerre);
  • és szupravezető áramkörökre (ahol az alkatrészek szuperhidegre fagyasztásával próbálják biztosítani az elektronok szabad áramlását).

A brit fizikus, David Deutsch a párhuzamosságot (parallelism) tartja a kvantumalapú rendszerek legkomolyabb versenyelőnyének. Egy mai számítógép a működési elvéből fakadóan egyszerre csak egy számítást végezhet; egy kvantumrendszer minden másodpercben több milliót. A sebességet minden új kvantumbit hozzáadása növeli, méghozzá nem kis mértékben. A szilíciumalapú rendszerek sebessége az új tranzisztorok számával egyenes arányban nő, de a kvantumszámítógépeknél minden qubittől hatványozódik a műveleti sebesség.

2. Kvantumállapot (quantum state, QS)

A neumanni elvekre és a bináris számrendszerre épülő számítógépek információs alapegysége a logikai kapcsolóként funkcionáló bit. A kettes számrendszer kétféle értéket társít egy bithez (1 vagy 0); egyszerre egyfélét. De egy kvantumbit  nem csak vagy-vagy alapon működhet: az értéke lehet 1, lehet 0, illetve lehet egyszerre 1 és 0. Ha a kvantumbit egyszerre több állapotban létezik (vagyis szimultán több értéket reprezentál), azt kvantum-szuperpozíciónak nevezzük.

A kvantuminformatikai algoritmusok a szuperpozíció állapotában dolgoznak a leghatékonyabban, de az csak addig maradhat fenn, amíg nem irányul rá mérés vagy vizsgálat. Ahogy a Heisenberg-féle határozatlansági elv is leírja: a kvantumállapotok illékony egyensúlyát már az események puszta megfigyelése is felboríthatja. (Hogy a jelenség ne fogja vissza a mai kvantumszámítógép-prototípusok működését, a ma használt rendszerek lehetőség szerint indirekt módon végzik a szükséges méréseket.)

3. Kvantumkommunikáció (quantum communication, QC)

A kvantumkommunikáció célja, hogy minden kvantumállapotban biztosítsa a gyors és hatékony információcserét. A kvantuminformáció-továbbítás a kvantum-számítástudományma felívelő területe:  a szakértők a közelmúltban fontos áttöréseket értek el a szupravezetős (mínusz 200 Celsius-foknál is hidegebbre hűtött) architektúrákkal. Ilyen elven működik az IBM saját fejlesztésű kvantumrendszere, a steampunkos villanybojlert idéző Q (Quantum) is, amit folyékony nitrogénnel hűtenek szuperhidegre. És egyre nagyobb az érdeklődés a kvantumkommunikációs csatornák iránt, amik mikrohullám-alapú adatcserét folytathatnak térben elkülönült szupravezetős rendszerek között.

4. Kvantumteleportálás (quantum teleportation, QT)

Elértünk a cikk aktualitását adó művelethez, ami a hangzatos név ellenére nem igazi teleportálást takar, csak így nevezik azt a kommunikációs példaprotokollt, ami ismeretlen kvantumállapotok direkt továbbítását célozza a kvantum-összefonódás és a klasszikus digitális kommunikáció eszközeivel. A név 1993-ból ered: ekkorra készült el az első tanulmány a témáról (Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein–Podolsky–Rosen Channels), C. H. Bennett és G. Brassard vezetésével. Az elmélet gyakorlatba ültetése hosszú évekig tartott, de már vannak biztató jelek. Néhány éve a kvantumteleportáció távolsági rekodja több mint 140 kilométer volt; ezt döntötte meg tavaly ősszel Kína, amikor 750 mérföld magasságba, egy Föld körül keringő műholdra juttattak el egy fotont.

5. Teleportációs hűség (teleportation fidelity, TF)

Nehéz a a kvantumszámítógép dolga: ismeretlen kvantumállapotot kell A pontból B pontba juttatnia, de közvetlen fizikai kapcsolat nélkül. A teleportációs hűség számszerűsíti, hogy az ismeretlen bemeneti és a továbbított kimeneti állapot között mekkora az átfedés a fázistérben.

Fotó: Phys.org

A hűség küszöbértékét több tényező befolyásolhatja: a kimenet állapota, a Hilbert-tér sajátosságai vagy a kvantumcsatorna-kommunikáció dimenzióanalízise. (Ha a teleportációval koherens kvantumállapotokat továbbítanak, a hűségérték és a kvantumbit-küszöbérték közti különbségeket szupravezető kvantumbitek küszöbölhetik ki.)

A kvantum, a világmindenség meg a macska = 0,42

Fedorov és munkatársainak teleportációs módszere, ha csak a távolságot nézzük, sehol sincs a kínai rekorderhez képest. 0,42 méter? Az semmi. De ez egyrészt nem a távról szól, másrészt ez nem is valódi (anyag)teleportáció; inkább valami bizarr klónozást idéz, ahol a másolat elkészítése megsemmisíti az eredeti példányt. De bármilyen furcsán hangzik, máshogyan nem is történhetne, mert a kvantummechanika egyik sarkalatos törvénye, hogy ismeretlen kvantumállapotokról nem lehet másolatot készíteni.

A kvantumállapotok szeszélyesek, de olyan transzformáció nem képzelhető el (matematikai bizonyosság, hogy nem létezhet), ami tetszőleges szuperpozíciós kvantumállapotot klónozna. A kvantumszámítógép nem másolhat, de továbbíthat határozatlan értékű qubiteket.

Fotó: Phys.org

Ezen a ponton jön be a képbe a kvantumteleport, ami megméri (és elpusztítja) az eredeti állapotot, majd a mért értéket egy kvantum-összefonódás egyik bitpárjával keresztezve tökéletes másolatot hoz létre. És most nézzük meg a folyamatot lassítva:

  1. Közös kvantumbit-alapozás. A küldő és a fogadó fél a kvantumbit-teleportálás előtt létrehoz és megoszt egy összefonódó (entangled) kvantumbitpárt.
  2. Egy kis szöszmötölés. A küldő elkészíti a továbbítani kívánt kvantumbitet, majd ezzel, illetve az összefonódó bitpár rá eső részével elvégez néhány műveletet.
  3. Gyilkos számszerűsítés. A feladó egy-egy mérést végez az összefonódott és a továbbított kvantumbiteken, amitől a kvantumállapotuk megsemmisül.
  4. Reinkarnáció picit odébb. Ha a mérés értékeit a fogadó az összefonódott qubitre transzformálja, létrejön az elküldött kvantumbit egyetlen példánya.

Hogy mi is történt pontosan? A küldő fél a méréssel automatikusan megszüntette a teleportált qubit kvantumállapotát. A mérés ugyanis csak fix állapotértéket rögzíthet: mérhet valamit 1-nek vagy 0-nak, de 1-nek és 0-nak nem. A mérési eredményt a fogadó az összefonódó kvantumbit ráeső részén alkalmazta, és rekonstruálhatta az eredeti kvantumállapotot.

Fedorov és munkatársai a műveletben ugyan átlépték a teleportációs hűség küszöbértékét, de a kvantumvilág olyan jelenségeivel is kísérletezhettek, mint amilyen a kvantum-összefonódás, mivel tetszés szerint generálhattak változatos összefonódási állapotokat. Főleg a fénypréselés (squeezed light) módszerével, a kvantuminformatika igáslovával dolgoztak; ezzel a hullámtermészetű fényből kvantumszerű részecskék nyerhetők ki. 

A préselt fényt gyengén nemlineáris szupravezetők állították elő; a kvantumszignálok jelerősítéséhez Josephson-féle parametrikus erősítőket használtak. A legnagyobb kommunikációs bitráta eléréséhez Fedorovék az erősítőkkel determinisztikus kvantum-összefonódásokat is generáltak.

Fotó: Phys.org

A koherens mikrohullám-állapotok determinisztikus kvantumteleportációját Federovék kétmódú préseléssel (TMS) és analóg előrecsatolással demonstrálták. A TMS hálás eszköz: nemcsak a távoli kvantumbitek összefonódását segíti elő, hanem mikrohullám-állapotokat is megőrizhet és továbbíthat különálló szupravezetős rendszerek közös interfészére. Federov szerint a mikrohullámú helyi kvantumhálózatokon ez hasznos funkció lehet.

A közelmúltban piacra dobott szupravezetők a kvantumkutatásoknak is nagy lendületet adtak; ebből nőttek ki azok a kezdeményezések, amik mikrohullámon bonyolítanák a szupravezetős eszközök kvantumkommunikációját. Az eljárás hatásosságát látszik igazolni az is, hogy a fejlesztők szerint a munka nehezén már túljutottak, és a továbbítást csak a koherencia fenntartása nehezíti meg. A diszkréten változó állapotokkal ellentétben ugyanis az állandóan változó állapotok (mint amilyenek a Gauss-állapotok) továbbítása műszaki szempontból egyszerűbb feladat.

Bob és Alice kvantumtáviratoznak

A kvantumteleportációs protokollnak három fontos eleme volt. Először kialakították az összefonódást a küldő és fogadó felek, Alice (A) és Bob (B) között. Alice (A) oldalán a helyi műveletek egy előrecsatolt jel legenerálására irányultak. Bob (B) oldalán is végeztek előrecsatolást, amit kiegészítették egy helyi művelettel, hogy kombinálják az előrecsatolt jelet az összefonódott kvantumbit erőforrás-állapotával. Tulajdonképpen ez volt a teleportáció, az ismeretlen kvantumállapot továbbítása.

Fedorovék két összefonódó Josephson parametrikus erősítőt (JPA) is felhasználtak a műveletben, amiket hibrid gyűrűvel (szaknyelven: mikrohullámú nyalábelosztóval) kombináltak: ez a gyűrű kimenetén út-összefonódású (path-entangled), kétmódú, préselt mikrohullám-állapotok generált. A kimeneti állapotról sokan a termikus zajra (thermal noise) asszociáltak, de a kétmódú préselt kvantumállapot-terjedés kiegyensúlyozta az összefonódást Alice és Bob között.

A kvantumteleportációhoz szupravezető, nióbium-titán ötvözetű, hullámvezető rezonátorokat idéző kábelt használtak. A kísérletvezetők az Alice oldalán telepített hibrid gyűrűt gyenge koherens állapot-összefonódások előidézésére használták, ami a kétmódú préselt állapotokhoz társított ismeretlen inputot. Az Alice gyűrűjén lévő kimeneteket a mérésekhez használt JPA-be is bevezették, hogy az ortogonális erősítési szögek mentén is fázisérzékeny legyen az erősítés. A megmért kimeneteket végül a harmadik hibrid gyűrűn illesztették össze, majd az előrecsatolt alkalmazás, valamint a Bobnál használt kétmódú préselés eljuttatta az iránycsatoló kimenetére az eredeti bemeneti állapotot.

A kutatók eredményeiből kiolvashatók voltak a kvantumteleportált és a klasszikusan teleportált kimeneti állapotok is. Fedorov úgy definiálta a klasszikus teleportálást , mint a tárgyaló felek nem összefűzött erőforrásokra épülő közös QT protokollját.

Az eljárás működőképességét még nem sikerült minden kétséget kizáróan igazolni, mert egyetlen koherens kvantumállapot továbbítása önmagában nem bizonyító erejű; ha komplett kvantumállapot-halmazokat továbbítanának, a küldött állományok ortogonális jellemzőiből már következtethetnénk a módszer hatékonyságára. Ha viszont Federovék eljárása a későbbiekben is hatásosnak bizonyul, elmondhatják, hogy lefektették egy új kvantumkommunikációs protokoll alapjait.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: