2. Teleportacja kwantowa

Teleportacja kwantowa, umożliwiająca transfer stanu kwantowego bez fizycznej transmisji cząstki niosącej ten stan, jest fundamentalnym protokołem dla kwantowych sieci komunikacyjnych i rozproszonych obliczeń kwantowych.

Implementacje eksperymentalne z fotonami

Standardowy protokół teleportacji wymaga wcześniej współdzielonego splątania między Alicją i Bobem, pomiaru stanu Bella przez Alicję, klasycznej komunikacji wyniku pomiaru oraz warunkowej operacji unitarnej przez Boba.

Dla fotonów typowa implementacja wykorzystuje SPDC do generacji splątanych par fotonów, jeden foton z pary wysyłany do Alicji, drugi do Boba. Alicja wykonuje pomiar stanu Bella między swoim fotonem a teleportowanym stanem, a Bob stosuje odpowiednią transformację bazując na wyniku pomiaru.

Pomiar stanu Bella jest największym wyzwaniem. Pełny pomiar rozróżniający wszystkie cztery stany Bella wymaga nieliniowości. W optyce liniowej można rozróżnić maksymalnie 2 z 4 stanów (50% współczynnik sukcesu).

Standardowa implementacja pomiaru stanu Bella wykorzystuje interferencję na dzielniki wiązki 50:50, detekcję koincydencji w portach wyjściowych. Dwa ze stanów Bella dają różne sygnatury koincydencji, pozostałe dwa są nierozróżnialne w optyce liniowej.

Strategie zwiększania współczynnika sukcesu obejmują wykorzystanie fotonów pomocniczych i bardziej złożonych interferometrów, hipersplątanie w wielu stopniach swobody oraz protokoły powtarzania aż do skutku z pamięciami kwantowymi.

Teleportacja między różnymi stopniami swobody

Elastyczność platform fotonicznych pozwala na teleportację między różnymi kodowaniami informacji kwantowej.

Teleportacja polaryzacja-droga: stan polaryzacyjny teleportowany na kodowanie w drodze, użyteczne dla łączenia różnych podsystemów, wymaga odpowiedniej konstrukcji pomiaru stanu Bella krzyżującego kodowania.

Teleportacja między zmiennymi dyskretnymi a ciągłymi: teleportacja między kubitami a zmiennymi ciągłymi, umożliwia hybrydowe sieci kwantowe, wykorzystuje specjalne stany splątane (splątanie hybrydowe).

Konwersja częstości w teleportacji: teleportowany stan może być przekonwertowany do innej długości fali, kluczowe dla przekaźników kwantowych łączących różne układy, wymaga koordynacji teleportacji z procesem konwersji.

Demonstracje obejmują teleportację na odległości >100 km w światłowodach, teleportację między różnymi materiałowymi platformami (np. fotony-atomy) oraz wielopartyjną teleportację w sieciach kwantowych.

Przekaźniki kwantowe i komunikacja długodystansowa

Bezpośrednia transmisja kwantowa jest ograniczona stratami wykładniczymi z odległością. Przekaźniki kwantowe oferują rozwiązanie przez podział długiej odległości na krótsze segmenty.

Podstawowa architektura: dzielenie całkowitej odległości L na N segmentów, generowanie splątania w każdym segmencie, wymiana splątania łączy sąsiednie segmenty, puryfikacja poprawia jakość splątania.

Kluczowe komponenty to pamięci kwantowe do przechowywania splątania, wysokiej jakości źródła splątanych fotonów, efektywne protokoły puryfikacji oraz sprawne pomiary stanu Bella dla wymiany splątania.

Hierarchiczna struktura dla skalowalności: poziom 0: bezpośrednie generowanie splątania, poziom 1: wymiana między sąsiednimi segmentami, poziom k: wymiana między segmentami odległymi o \(2^k\). Całkowity czas generacji splątania od końca do końca skaluje się poli-logarytmicznie z odległością (wobec wykładniczo dla bezpośredniej transmisji).

Aktualne wyzwania to brak pamięci kwantowych o wystarczających parametrach (wydajność, czas przechowywania, wierność), trudność w łączeniu wszystkich komponentów z wysoką wydajnością oraz synchronizacja operacji w rozległej sieci.