Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş · 9. Ünite: Kuantum Teknolojileri ve Modern Uygulamalar

Kuantum Işınlama

Bilinmeyen bir kubiti ne ölçerek ne kopyalayarak başka bir yere aktarabilir miyiz? Bennett, Brassard, Crépeau, Jozsa, Peres ve Wootters 1993'te bunun mümkün olduğunu gösterdi: önceden paylaşılmış bir dolanık çift ve iki klasik bit yeterlidir. Bu konuda protokolü Bell tabanında yeniden yazarak tam cebirsel olarak türetecek, Bob'un hangi ölçüm sonucunda hangi Pauli düzeltmesini yapacağını bulacak, ışınlamanın neden ışıktan hızlı iletişim sağlamadığını ve kopyalanamazlıkla neden çelişmediğini yoğunluk matrisiyle göstereceksin. Son olarak gürültülü bir çiftle ulaşılan ortalama sadakati $F = (1+v)/2$ olarak hesaplayıp klasik $2/3$ sınırıyla karşılaştıracak, 1997'den bugüne deneysel gerçekleşmeleri ve kapı ışınlaması fikrini tanıyacaksın.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Bilinmeyen Bir Kubiti Taşımak

  2. Kaynaklar: Bell Durumları ve Bell Ölçümü

  3. Protokolün Cebirsel Türetmesi

  4. Işık Hızı ve Kopyalanamazlıkla Uyum

  5. Gürültülü Kanal: Werner Durumu ve Klasik Sınır

  6. Deneysel Gerçekleşmeler ve Kapı Işınlaması

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Kuantum ışınlama (quantum teleportation)
Paylaşılmış bir dolanık çift ve iki klasik bit kullanılarak bilinmeyen bir kuantum durumunun ölçülmeden ve kopyalanmadan başka bir kubite aktarılması.
Bell ölçümü
İki kubiti dört Bell durumundan birine izdüşüren ölçüm; devrede CNOT, Hadamard ve hesaplama tabanında ölçümle yapılır.
Ebit
Bir maksimum dolanık kubit çiftinin ($|\Phi^+\rangle$) temsil ettiği birim dolanıklık kaynağı.
Pauli düzeltmesi
Bob'un ölçüm sonucuna göre uyguladığı $Z^{m_1}X^{m_2}$ işlemi; dalın $X^{m_2}Z^{m_1}|\psi\rangle$ bozulmasını geri alır.
İletişimsizlik (no-signaling)
Alice'in yerel işlemlerinin Bob'un indirgenmiş yoğunluk matrisini değiştirememesi; ışınlamada klasik bitler gelmeden $\rho_B = I/2$.
Werner durumu
$\rho_W = v|\Phi^+\rangle\langle\Phi^+| + (1-v)I/4$; görünürlük $v$ ile gürültülü bir dolanık çift modeli, $v > 1/3$ iken dolanık.
Singlet kesri $F_s$
Paylaşılan çiftin maksimum dolanık durumla örtüşmesi; Werner için $(1+3v)/4$, ortalama ışınlama sadakati $(2F_s+1)/3$.
Klasik ışınlama sınırı
Dolanıklık kullanmayan ölç-ve-hazırla stratejisiyle ulaşılabilen en büyük ortalama sadakat, $2/3$.
Kapı ışınlaması (gate teleportation)
Bir kapının kaynak dolanık duruma önceden uygulanıp ışınlamayla girdiye aktarılması; Clifford olmayan kapıların hata düzeltmeli uygulanmasının temeli.

Örnek soru

Standart kuantum ışınlama protokolüyle bilinmeyen bir kubitin durumunu Alice'ten Bob'a aktarmak için gereken (ve yeterli olan) kaynak hangisidir?

  1. 1 ebit + 1 klasik bit
  2. 1 ebit + 2 klasik bit
  3. 2 ebit + 1 klasik bit
  4. Yalnızca 2 klasik bit
  5. 1 ebit; klasik iletişim gerekmez

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Alice'in Bell ölçümünün dört eşit olasılıklı sonucu vardır; Bob'un doğru Pauli düzeltmesini seçebilmesi için $\log_2 4 = 2$ bit gerekir.
2. Paylaşılmış bir $|\Phi^+\rangle$ çifti (1 ebit) olmadan, yalnız klasik iletişimle ortalama sadakat en fazla $2/3$ olur.
3. Kaynak eşitliği: 1 ebit + 2 klasik bit ≥ 1 kubit.
"Klasik iletişim gerekmez" seçeneği dolanıklığın tek başına bilgi taşıdığı yanılgısıdır; Bob'un kubiti bitler gelmeden $I/2$'dir.

Temel Kuantum Fiziği ve Kuantum Teknolojilerine Giriş: tüm konular