Dịch chuyển lượng tử cần kênh cổ điển ra sao?

• Phía Alice, nơi có trạng thái cần chuyển
• Phía Bob, chưa có trạng thái
• Bản tin thông thường (mũi tên liền)
• Hai ô vuông: hai bit thông tin
• Mối liên hệ rối (nét đứt)

Bạn sẽ học được gì

• Mô tả ba thành phần của dịch chuyển lượng tử: cặp rối, phép toán của người gửi và bản tin cổ điển.
• Giải thích vì sao thiếu bản tin cổ điển thì người nhận không dùng được photon của mình.
• Nêu điều dịch chuyển lượng tử không làm được.

Cần biết trước

Nên đọc trước bài Rối lượng tử là gì?. Mọi thuật ngữ khác được giải thích ngay trong bài.

Dịch chuyển lượng tử bắt đầu từ đâu?

Dịch chuyển lượng tử bắt đầu từ một cặp hạt rối mà hai người chia nhau. Theo Bách khoa toàn thư Triết học Stanford, Alice và Bob chia sẻ một trạng thái rối thuần, ví dụ hai photon rối về phân cực. Alice giữ một photon của cặp, Bob giữ photon còn lại.

Sau đó Alice nhận thêm một photon ở trạng thái phân cực mà không ai biết. Đó là trạng thái cần “chuyển” sang phía Bob.

Nguồn Stanford cho biết ý tưởng này lần đầu được đề xuất năm 1993 bởi Bennett cùng đồng nghiệp.

• Khung của Alice
• Khung của Bob
• Trạng thái cần chuyển (tam giác)
• Photon rối của Alice
• Photon rối của Bob
• Mối liên hệ rối (nét đứt)

Alice làm gì, và Bob nhận được gì?

Alice làm một phép toán lên hai photon trong tay, và Bob nhận photon của mình ở một trong bốn trạng thái. Theo nguồn Stanford, phép toán có bốn kết quả ngẫu nhiên có thể xảy ra, và photon của Bob bị đưa vào trạng thái tương ứng với kết quả đó.

Trạng thái ấy hoặc đã đúng là trạng thái cần có, hoặc liên hệ với nó theo một cách xác định. Bob chưa biết là trường hợp nào, vì kết quả của Alice là ngẫu nhiên.

Alice và Bob cần cặp rối đã chia từ trước cho giao thức này. Bản tin cổ điển không phải bản mô tả đầy đủ trạng thái chưa biết: nó chỉ cho Bob biết phép hiệu chỉnh cần áp dụng. Vì vậy không thể thay cặp rối bằng việc đọc photon của Alice rồi gọi điện mô tả nó.

• Phép toán của Alice
• Bốn kết quả có thể xảy ra
• Bốn trạng thái có thể của photon bên Bob

Vì sao phải có kênh cổ điển?

Vì Bob chỉ biết cách sửa photon sau khi biết Alice thu được kết quả nào. Theo nguồn Stanford, chỉ sau khi Alice báo kết quả phép toán cho Bob, Bob mới biết photon của mình đã đúng trạng thái hay cần biến đổi cục bộ ra sao.

Kết quả đó chỉ cần hai bit thông tin cổ điển, vì phép toán có bốn kết quả. Hai bit đi qua một kênh thông thường, loại như đường dây điện thoại.

Nếu thiếu bản tin đó, Bob chỉ có một photon ở một trong bốn trạng thái mà anh không biết là trạng thái nào.

Cuối cùng, Alice và Bob dùng trạng thái rối chung làm kênh truyền thông lượng tử để hủy trạng thái của một photon ở phía Alice và tạo lại nó ở phía Bob. Trạng thái đó vẫn chưa được biết với cả hai người.

• Trạng thái đã bị hủy ở phía Alice
• Bản tin hai bit đi qua kênh thông thường
• Trạng thái được tạo lại ở phía Bob

Ví dụ trong đời sống

Hãy hình dung Alice ở Hà Nội và Bob ở Huế, hai người đã chia nhau cặp photon rối từ trước. Alice làm phép toán và được một trong bốn kết quả. Cô gọi điện đọc cho Bob hai bit tương ứng. Nghe xong, Bob biết phải giữ nguyên hay biến đổi photon của mình.

Đây là ví dụ giả định để minh họa thứ tự các bước, không phải mô tả một thiết bị cụ thể.

Stanford ghi nhận các thí nghiệm trên mặt đất và giữa mặt đất với vệ tinh. Những khoảng cách nêu trong một tài liệu là kết quả được tài liệu dẫn lại, không nên tự coi là kỷ lục hiện tại.

Trong hình chuyển động dưới đây, các khối cầu là các hệ có sẵn; màu và hướng dấu chỉ chỉ minh họa trạng thái. Khối nhỏ trên đường nối là bản tin cổ điển, không phải photon hay vật chất đang dịch chuyển.

Hiểu lầm thường gặp

Dịch chuyển lượng tử không gửi người hay vật từ nơi này sang nơi khác. Theo nguồn Stanford, nó hủy trạng thái của một photon ở một phía và tạo lại ở phía kia.

Nó không diễn ra chỉ nhờ cặp rối. Bob chỉ dùng được photon sau khi nhận hai bit từ Alice qua kênh thông thường.

Sau khi dịch chuyển xong, trạng thái ban đầu vẫn chưa được biết với cả Alice và Bob. Họ không “đọc” được nó.

Câu hỏi thường gặp

Dịch chuyển lượng tử có tức thời không?

Không chỉ nhờ cặp rối. Bob phải chờ Alice báo kết quả phép toán qua kênh thông thường mới dùng được photon của mình.

Cần bao nhiêu thông tin cổ điển để dịch chuyển một trạng thái?

Hai bit, vì phép toán của Alice có bốn kết quả. Hai bit này chỉ báo phép hiệu chỉnh, không phải mô tả đầy đủ trạng thái photon.

Ai đề xuất dịch chuyển lượng tử?

Theo nguồn Stanford, Bennett cùng đồng nghiệp đề xuất ý tưởng lần đầu năm 1993.

Thí nghiệm ở xa có bỏ được kênh cổ điển không?

Không. Dù triển khai trên mặt đất hay qua vệ tinh, Bob vẫn cần nhận kết quả đo để biết cách hiệu chỉnh trạng thái.

Tóm tắt

• Cặp rối chia sẵn lo phần trạng thái lượng tử, còn Alice báo kết quả phép toán qua kênh cổ điển.
• Kết quả của Alice là một trong bốn khả năng ngẫu nhiên, cần hai bit để báo.
• Dịch chuyển lượng tử hủy trạng thái ở một phía và tạo lại ở phía kia, và không gửi vật nào đi.