क्वांटम टेलीपोर्टेशन: भौतिकविदों की महान खोजें

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

क्वांटम टेलीपोर्टेशन क्वांटम सूचना में सबसे महत्वपूर्ण प्रोटोकॉल में से एक है। उलझाव के भौतिक संसाधन के आधार पर, यह विभिन्न सूचना कार्यों के मुख्य तत्व के रूप में कार्य करता है और क्वांटम कंप्यूटिंग, नेटवर्क और संचार के आगे विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हुए क्वांटम प्रौद्योगिकियों का एक महत्वपूर्ण घटक है।

साइंस फिक्शन से लेकर वैज्ञानिकों की खोज तक

क्वांटम टेलीपोर्टेशन की खोज को दो दशक से अधिक समय हो गया है, जो शायद क्वांटम यांत्रिकी की "अजीबता" के सबसे दिलचस्प और रोमांचक परिणामों में से एक है। इन महान खोजों के होने से पहले, यह विचार विज्ञान कथा के दायरे से संबंधित था। पहली बार 1931 में चार्ल्स एच। फोर्ट द्वारा गढ़ा गया, "टेलीपोर्टेशन" शब्द का उपयोग उस प्रक्रिया को संदर्भित करने के लिए किया गया है जिसके द्वारा निकायों और वस्तुओं को एक स्थान से दूसरे स्थान पर वास्तव में उनके बीच की दूरी की यात्रा किए बिना स्थानांतरित किया जाता है।

1993 में, क्वांटम सूचना प्रोटोकॉल का वर्णन करते हुए एक लेख प्रकाशित किया गया था, जिसे. कहा जाता है"क्वांटम टेलीपोर्टेशन", जिसने ऊपर सूचीबद्ध कई विशेषताओं को साझा किया। इसमें, एक भौतिक प्रणाली की अज्ञात स्थिति को मापा जाता है और बाद में एक दूरस्थ स्थान पर पुन: उत्पन्न या "पुन: संयोजन" किया जाता है (मूल प्रणाली के भौतिक तत्व संचरण स्थल पर रहते हैं)। इस प्रक्रिया में संचार के शास्त्रीय साधनों की आवश्यकता होती है और इसमें FTL संचार शामिल नहीं होता है। इसे उलझाने के संसाधन की जरूरत है। वास्तव में, टेलीपोर्टेशन को क्वांटम सूचना प्रोटोकॉल के रूप में देखा जा सकता है जो सबसे स्पष्ट रूप से उलझाव की प्रकृति को प्रदर्शित करता है: इसकी उपस्थिति के बिना, क्वांटम यांत्रिकी का वर्णन करने वाले कानूनों के ढांचे के भीतर संचरण की ऐसी स्थिति संभव नहीं होगी।

टेलीपोर्टेशन सूचना विज्ञान के विकास में सक्रिय भूमिका निभाता है। एक ओर, यह एक वैचारिक प्रोटोकॉल है जो औपचारिक क्वांटम सूचना सिद्धांत के विकास में निर्णायक भूमिका निभाता है, और दूसरी ओर, यह कई तकनीकों का एक मूलभूत घटक है। क्वांटम पुनरावर्तक लंबी दूरी पर संचार का एक प्रमुख तत्व है। क्वांटम स्विच टेलीपोर्टेशन, आयाम-आधारित कंप्यूटिंग और क्वांटम नेटवर्क सभी इसके व्युत्पन्न हैं। यह समय वक्र और ब्लैक होल वाष्पीकरण के संबंध में "चरम" भौतिकी का अध्ययन करने के लिए एक सरल उपकरण के रूप में भी प्रयोग किया जाता है।

आज, क्वांटम टेलीपोर्टेशन की पुष्टि दुनिया भर की प्रयोगशालाओं में कई अलग-अलग सबस्ट्रेट्स और तकनीकों का उपयोग करके की गई है, जिसमें फोटोनिक क्वैबिट्स, न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस, ऑप्टिकल मोड, परमाणुओं के समूह, फंसे हुए परमाणु, औरअर्धचालक प्रणाली। टेलीपोर्टेशन रेंज के क्षेत्र में उत्कृष्ट परिणाम प्राप्त हुए हैं, उपग्रहों के साथ प्रयोग हो रहे हैं। इसके अलावा, अधिक जटिल प्रणालियों को बढ़ाने के प्रयास शुरू हो गए हैं।

qubits का टेलीपोर्टेशन

क्वांटम टेलीपोर्टेशन को पहली बार दो-स्तरीय सिस्टम, तथाकथित qubits के लिए वर्णित किया गया था। प्रोटोकॉल ऐलिस और बॉब नामक दो दूर के दलों पर विचार करता है, जो शुद्ध उलझी हुई अवस्था में 2 क्विबिट, ए और बी साझा करते हैं, जिन्हें बेल जोड़ी भी कहा जाता है। इनपुट पर, ऐलिस को एक और qubit a दिया जाता है, जिसका राज्य ρ अज्ञात है। वह तब बेल डिटेक्शन नामक एक संयुक्त क्वांटम मापन करती है। यह चार बेल राज्यों में से एक और ए को लेता है। नतीजतन, माप के दौरान ऐलिस की इनपुट क्वाइब की स्थिति गायब हो जाती है, और बॉब की बी क्वबिट को एक साथ Р^†_kρP पर प्रक्षेपित किया जाता है। के. प्रोटोकॉल के अंतिम चरण में, ऐलिस अपने माप का शास्त्रीय परिणाम बॉब को भेजती है, जो मूल ρ को पुनर्स्थापित करने के लिए पाउली ऑपरेटर P_k का उपयोग करता है।

ऐलिस की कक्षा की प्रारंभिक अवस्था को अज्ञात माना जाता है, क्योंकि अन्यथा प्रोटोकॉल इसके दूरस्थ माप तक कम हो जाता है। वैकल्पिक रूप से, यह स्वयं किसी तीसरे पक्ष के साथ साझा की गई एक बड़ी समग्र प्रणाली का हिस्सा हो सकता है (जिस स्थिति में, सफल टेलीपोर्टेशन के लिए उस तीसरे पक्ष के साथ सभी सहसंबंधों को पुन: प्रस्तुत करना आवश्यक है)।

एक विशिष्ट क्वांटम टेलीपोर्टेशन प्रयोग मानता है कि प्रारंभिक अवस्था शुद्ध है और एक सीमित वर्णमाला से संबंधित है,उदाहरण के लिए, बलोच क्षेत्र के छह ध्रुव। विकृति की उपस्थिति में, पुनर्निर्मित राज्य की गुणवत्ता को टेलीपोर्टेशन सटीकता एफ [0, 1] द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। यह ऐलिस और बॉब के राज्यों के बीच की सटीकता है, जो सभी बेल डिटेक्शन परिणामों और मूल वर्णमाला पर औसत है। कम सटीकता मूल्यों पर, ऐसे तरीके हैं जो एक अस्पष्ट संसाधन का उपयोग किए बिना अपूर्ण टेलीपोर्टेशन की अनुमति देते हैं। उदाहरण के लिए, ऐलिस परिणामी स्थिति तैयार करने के लिए बॉब को परिणाम भेजकर सीधे अपनी प्रारंभिक स्थिति को माप सकती है। इस माप-तैयारी रणनीति को "शास्त्रीय टेलीपोर्टेशन" कहा जाता है। इसमें मनमानी इनपुट स्थिति के लिए F_class=2/3 की अधिकतम सटीकता है, जो पारस्परिक रूप से निष्पक्ष राज्यों की वर्णमाला के बराबर है, जैसे कि बलोच क्षेत्र के छह ध्रुव।

इस प्रकार, क्वांटम संसाधनों के उपयोग का एक स्पष्ट संकेत सटीकता मान F> F_class है।

एक भी क़दम नहीं

क्वांटम भौतिकी के अनुसार, टेलीपोर्टेशन केवल qubits तक सीमित नहीं है, इसमें बहुआयामी सिस्टम शामिल हो सकते हैं। प्रत्येक परिमित आयाम d के लिए, अधिकतम उलझे हुए राज्य वैक्टर के आधार का उपयोग करके एक आदर्श टेलीपोर्टेशन योजना तैयार की जा सकती है, जिसे किसी दिए गए अधिकतम उलझे हुए राज्य और आधार {U_k} से प्राप्त किया जा सकता है। एकात्मक संचालक संतोषजनक tr(U ^†_j U_k)=dδ_{j, k} । इस तरह के प्रोटोकॉल का निर्माण किसी भी परिमित-आयामी हिल्बर्ट के लिए किया जा सकता हैतथाकथित के रिक्त स्थान। असतत चर प्रणाली।

इसके अलावा, क्वांटम टेलीपोर्टेशन को अनंत-आयामी हिल्बर्ट स्पेस वाले सिस्टम तक भी बढ़ाया जा सकता है, जिसे निरंतर-चर सिस्टम कहा जाता है। एक नियम के रूप में, उन्हें ऑप्टिकल बोसोनिक मोड द्वारा महसूस किया जाता है, जिसके विद्युत क्षेत्र को चतुर्भुज ऑपरेटरों द्वारा वर्णित किया जा सकता है।

गति और अनिश्चितता का सिद्धांत

क्वांटम टेलीपोर्टेशन की गति क्या है? सूचना उतनी ही गति से प्रसारित होती है जितनी शास्त्रीय संचरण की समान मात्रा में - शायद प्रकाश की गति से। सैद्धांतिक रूप से, इसका उपयोग उन तरीकों से किया जा सकता है जो शास्त्रीय नहीं कर सकते - उदाहरण के लिए, क्वांटम कंप्यूटिंग में, जहां डेटा केवल प्राप्तकर्ता के लिए उपलब्ध होता है।

क्या क्वांटम टेलीपोर्टेशन अनिश्चितता के सिद्धांत का उल्लंघन करता है? अतीत में, टेलीपोर्टेशन के विचार को वैज्ञानिकों द्वारा बहुत गंभीरता से नहीं लिया गया था क्योंकि इसे इस सिद्धांत का उल्लंघन माना जाता था कि किसी भी माप या स्कैनिंग प्रक्रिया से परमाणु या अन्य वस्तु की सभी जानकारी नहीं निकाली जाएगी। अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, किसी वस्तु को जितना अधिक सटीक रूप से स्कैन किया जाता है, उतना ही यह स्कैनिंग प्रक्रिया से प्रभावित होता है, जब तक कि उस बिंदु तक नहीं पहुंच जाता है जहां वस्तु की मूल स्थिति का इस हद तक उल्लंघन होता है कि इसे प्राप्त करना अब संभव नहीं है। एक सटीक प्रति बनाने के लिए पर्याप्त जानकारी। यह आश्वस्त करने वाला लगता है: यदि कोई व्यक्ति एक संपूर्ण प्रतिलिपि बनाने के लिए किसी वस्तु से जानकारी नहीं निकाल सकता है, तो अंतिम प्रतिलिपि नहीं बनाई जा सकती है।

डमी के लिए क्वांटम टेलीपोर्टेशन

लेकिन छह वैज्ञानिकों (चार्ल्स बेनेट, गाइल्स ब्रासर्ड, क्लाउड क्रेप्यू, रिचर्ड जोसा, आशेर पेरेज़ और विलियम वुथर) ने आइंस्टीन-पोडॉल्स्की के नाम से जाने जाने वाले क्वांटम यांत्रिकी की प्रसिद्ध और विरोधाभासी विशेषता का उपयोग करके इस तर्क के आसपास एक रास्ता खोजा- रोसेन प्रभाव। उन्होंने टेलीपोर्टेड ऑब्जेक्ट ए की जानकारी के हिस्से को स्कैन करने का एक तरीका खोजा, और शेष असत्यापित हिस्से को उल्लिखित प्रभाव के माध्यम से किसी अन्य ऑब्जेक्ट सी में स्थानांतरित कर दिया, जो कभी ए के संपर्क में नहीं रहा।

इसके अलावा, स्कैन की गई जानकारी पर निर्भर सी प्रभाव को लागू करके, आप स्कैन करने से पहले सी को राज्य ए में डाल सकते हैं। ए स्वयं अब उसी स्थिति में नहीं है, क्योंकि स्कैनिंग प्रक्रिया द्वारा इसे पूरी तरह से बदल दिया गया है, इसलिए जो हासिल किया गया है वह टेलीपोर्टेशन है, प्रतिकृति नहीं।

सीमा के लिए संघर्ष

• पहला क्वांटम टेलीपोर्टेशन 1997 में इंसब्रुक विश्वविद्यालय और रोम विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा लगभग एक साथ किया गया था। प्रयोग के दौरान, मूल फोटॉन, जिसमें ध्रुवीकरण होता है, और उलझे हुए फोटॉनों की जोड़ी में से एक को इस तरह से बदल दिया गया कि दूसरे फोटॉन को मूल का ध्रुवीकरण प्राप्त हो गया। इस मामले में, दोनों फोटॉन एक दूसरे से कुछ दूरी पर थे।
• 2012 में 97 किमी की दूरी पर एक उच्च पर्वतीय झील के माध्यम से एक और क्वांटम टेलीपोर्टेशन (चीन, विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय) हुआ। हुआंग यिन के नेतृत्व में शंघाई के वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक होमिंग तंत्र विकसित करने में कामयाबी हासिल की, जिससे बीम को सटीक रूप से निशाना बनाना संभव हो गया।
• उसी वर्ष सितंबर में, 143 किमी का रिकॉर्ड क्वांटम टेलीपोर्टेशन किया गया था। ऑस्ट्रियाई विज्ञान अकादमी और विश्वविद्यालय के ऑस्ट्रियाई वैज्ञानिकएंटोन ज़िलिंगर के नेतृत्व में वियना ने ला पाल्मा और टेनेरिफ़ के दो कैनरी द्वीपों के बीच क्वांटम राज्यों को सफलतापूर्वक स्थानांतरित कर दिया। प्रयोग में खुली जगह में दो ऑप्टिकल संचार लाइनों का इस्तेमाल किया गया, क्वांटम और शास्त्रीय, आवृत्ति असंबद्ध ध्रुवीकरण उलझा हुआ स्रोत फोटॉन की जोड़ी, अल्ट्रा-लो शोर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर और युग्मित घड़ी सिंक्रनाइज़ेशन।
• 2015 में, यूएस नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने पहली बार ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से 100 किमी से अधिक की दूरी पर सूचना प्रसारित की। मोलिब्डेनम सिलसाइड से बने सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर का उपयोग करके संस्थान में बनाए गए सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरों के लिए यह संभव हो गया।

यह स्पष्ट है कि आदर्श क्वांटम प्रणाली या तकनीक अभी मौजूद नहीं है और भविष्य की महान खोजें अभी बाकी हैं। फिर भी, टेलीपोर्टेशन के विशिष्ट अनुप्रयोगों में संभावित उम्मीदवारों की पहचान करने का प्रयास किया जा सकता है। इनमें से उपयुक्त संकरण, एक संगत ढांचे और विधियों को देखते हुए, क्वांटम टेलीपोर्टेशन और इसके अनुप्रयोगों के लिए सबसे आशाजनक भविष्य प्रदान कर सकता है।

छोटी दूरी

एक क्वांटम कंप्यूटिंग सबसिस्टम के रूप में कम दूरी (1 मीटर तक) पर टेलीपोर्टेशन सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए आशाजनक है, जिनमें से सबसे अच्छा QED योजना है। विशेष रूप से, सुपरकंडक्टिंग ट्रांसमोन क्वैबिट नियतात्मक और उच्च-सटीक ऑन-चिप टेलीपोर्टेशन की गारंटी दे सकता है। वे रीयल-टाइम प्रत्यक्ष फ़ीड की भी अनुमति देते हैं, जोफोटोनिक चिप्स पर समस्याग्रस्त दिखता है। इसके अलावा, वे फंसे हुए आयनों जैसे पिछले दृष्टिकोणों की तुलना में अधिक स्केलेबल आर्किटेक्चर और मौजूदा तकनीकों का बेहतर एकीकरण प्रदान करते हैं। वर्तमान में, इन प्रणालियों का एकमात्र दोष उनका सीमित सुसंगतता समय (<100 µs) प्रतीत होता है। क्यूईडी सर्किट को सेमीकंडक्टर स्पिन-एनसेम्बल मेमोरी सेल्स (नाइट्रोजन-प्रतिस्थापित रिक्तियों या दुर्लभ-पृथ्वी-डॉप्ड क्रिस्टल के साथ) के साथ एकीकृत करके इस समस्या को हल किया जा सकता है, जो क्वांटम डेटा स्टोरेज के लिए एक लंबा सुसंगतता समय प्रदान कर सकता है। यह कार्यान्वयन वर्तमान में वैज्ञानिक समुदाय के बहुत प्रयास का विषय है।

शहर संचार

शहर के पैमाने (कई किलोमीटर) पर टेलीपोर्टेशन संचार को ऑप्टिकल मोड का उपयोग करके विकसित किया जा सकता है। पर्याप्त रूप से कम नुकसान के साथ, ये सिस्टम उच्च गति और बैंडविड्थ प्रदान करते हैं। उन्हें डेस्कटॉप कार्यान्वयन से हवा या फाइबर पर काम करने वाले मध्यम-श्रेणी के सिस्टम तक बढ़ाया जा सकता है, जिसमें एन्सेम्बल क्वांटम मेमोरी के साथ संभव एकीकरण होता है। लंबी दूरी लेकिन कम गति एक संकर दृष्टिकोण के साथ या गैर-गॉसियन प्रक्रियाओं के आधार पर अच्छे पुनरावर्तक विकसित करके प्राप्त की जा सकती है।

लंबी दूरी की संचार

लंबी दूरी की क्वांटम टेलीपोर्टेशन (100 किमी से अधिक) एक सक्रिय क्षेत्र है, लेकिन फिर भी एक खुली समस्या से ग्रस्त है। ध्रुवीकरण qubits -लंबे फाइबर लिंक और हवा में कम गति के टेलीपोर्टेशन के लिए सबसे अच्छा वाहक, लेकिन अपूर्ण बेल डिटेक्शन के कारण प्रोटोकॉल वर्तमान में संभाव्य है।

जबकि संभाव्य टेलीपोर्टेशन और उलझाव, उलझाव आसवन और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी जैसी समस्याओं के लिए स्वीकार्य हैं, यह संचार से स्पष्ट रूप से अलग है, जिसमें इनपुट को पूरी तरह से संरक्षित किया जाना चाहिए।

यदि हम इस संभाव्य प्रकृति को स्वीकार करते हैं, तो उपग्रह कार्यान्वयन आधुनिक तकनीक की पहुंच के भीतर है। ट्रैकिंग विधियों के एकीकरण के अलावा, मुख्य समस्या बीम के प्रसार से होने वाले उच्च नुकसान है। इसे एक कॉन्फ़िगरेशन में दूर किया जा सकता है जहां उपग्रह से बड़े एपर्चर ग्राउंड-आधारित टेलीस्कोप में उलझाव वितरित किया जाता है। 600 किमी की ऊंचाई पर 20 सेमी के उपग्रह एपर्चर और जमीन पर 1 मीटर दूरबीन के एपर्चर को मानते हुए, लगभग 75 डीबी डाउनलिंक हानि की उम्मीद की जा सकती है, जो जमीनी स्तर पर 80 डीबी हानि से कम है। ग्राउंड-टू-सैटेलाइट या सैटेलाइट-टू-सैटेलाइट कार्यान्वयन अधिक जटिल हैं।

क्वांटम मेमोरी

एक स्केलेबल नेटवर्क के हिस्से के रूप में टेलीपोर्टेशन का भविष्य का उपयोग सीधे क्वांटम मेमोरी के साथ इसके एकीकरण पर निर्भर करता है। उत्तरार्द्ध में रूपांतरण दक्षता, रिकॉर्डिंग और पढ़ने की सटीकता, भंडारण समय और बैंडविड्थ, उच्च गति और भंडारण क्षमता के मामले में एक उत्कृष्ट विकिरण-से-पदार्थ इंटरफ़ेस होना चाहिए। प्रथमबदले में, यह त्रुटि सुधार कोड का उपयोग करके रिले के उपयोग को सीधे प्रसारण से परे संचार का विस्तार करने की अनुमति देगा। एक अच्छी क्वांटम मेमोरी का विकास न केवल नेटवर्क और टेलीपोर्टेशन संचार पर उलझाव को वितरित करने की अनुमति देगा, बल्कि संग्रहीत जानकारी को एक सुसंगत तरीके से संसाधित करने की भी अनुमति देगा। अंततः, यह नेटवर्क को विश्व स्तर पर वितरित क्वांटम कंप्यूटर या भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के आधार में बदल सकता है।

आशाजनक घटनाक्रम

परमाणु पहनावा पारंपरिक रूप से उनके कुशल प्रकाश-से-पदार्थ रूपांतरण और उनके मिलीसेकंड जीवनकाल के कारण आकर्षक माना जाता है, जो वैश्विक स्तर पर प्रकाश संचारित करने के लिए आवश्यक 100ms जितना अधिक हो सकता है। हालांकि, सेमीकंडक्टर सिस्टम के आधार पर आज अधिक आशाजनक विकास की उम्मीद है, जहां उत्कृष्ट स्पिन-एनसेंबल क्वांटम मेमोरी सीधे स्केलेबल क्यूईडी सर्किट आर्किटेक्चर के साथ एकीकृत होती है। यह मेमोरी न केवल QED सर्किट के सुसंगतता समय को बढ़ा सकती है, बल्कि ऑप्टिकल-टेलीकॉम और चिप माइक्रोवेव फोटॉन के इंटर-कनवर्ज़न के लिए एक ऑप्टिकल-माइक्रोवेव इंटरफ़ेस भी प्रदान करती है।

इस प्रकार, क्वांटम इंटरनेट के क्षेत्र में वैज्ञानिकों की भविष्य की खोज क्वांटम सूचना को संसाधित करने के लिए सेमीकंडक्टर नोड्स के साथ मिलकर लंबी दूरी के ऑप्टिकल संचार पर आधारित होने की संभावना है।