Kvantna teleportacija: velikog otkrića fizičara

Kvantna teleportacija je jedan od najvažnijih protokola u kvantnoj informacije. na fizičkih resursa konfuzije na bazi, to je glavni element različitih informacija zadatke i predstavlja važan dio kvantne tehnologije igraju ključnu ulogu u daljem razvoju kvantne računarstva, umrežavanje i komunikacija.

Od naučna fantastika za naučna otkrića

Prošlo je više od dvije decenije od otkrića kvantne teleportacije, što je vjerojatno jedan od najzanimljivijih i uzbudljive posljedice "neobičnosti" kvantne mehanike. Prije ovih su napravljene velikih otkrića, ta ideja je pripadala domenu naučne fantastike. Prvi izumio u 1931 od strane Charles H. Fort termin "teleportacija" je od koristi da opiše proces kojim tijelo i objekti su je prešao iz jednog mjesta na drugo, nije sasvim prevazišao udaljenost između njih.

Godine 1993. objavio je članak koji opisuje protokol kvantnih informacija, pod nazivom "Kvantna teleportacija", koji dijele neke od simptoma gore navedenih. To nepoznatom stanju fizičkog sistema se mjeri i kasnije reproducirati, ili "ponovno ide" u udaljene lokacije (fizičke elemente originalni sistem ostati na transfer mjesto). Ovaj proces zahtijeva klasične sredstvo komunikacije i eliminira superluminalne komunikaciju. To zahtijeva život konfuzije. U stvari, teleportacija može smatrati protokol kvantnih informacija koje najjasnije pokazuje prirodu zabune: bez prisustva države transfera ne bi bilo moguće u okviru zakona koji opisuju kvantne mehanike.

Teleportacija je igrao aktivnu ulogu u razvoju nauke informacija. S jedne strane, to je konceptualni protokol, koji igra ključnu ulogu u razvoju formalnog kvantne teorije informacija, a sa druge strane to je jedan od osnovnih komponenta mnogih tehnologija. Kvantnom repetitor - ključni element komunikacije na daljinu. Teleportacija kvantne prekidači, računanje na osnovu mjerenja i kvantne mreže - su sve njegove derivate. Koristi se kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike, o privremenom krive i isparavanje crnih rupa.

Danas kvantne teleportacije potvrdio u laboratorijima širom svijeta koristeći različite podloge i tehnologija, uključujući fotonski kubite, nuklearna magnetna rezonanca, optički načina, grupe atoma, opkoljene atoma i poluvodiča sistema. Izvanredni rezultati postignuti su u teleportacija rasponu narednom eksperimente sa satelita. Osim toga, bilo je pokušaja da se skalira do složenijih sistema.

teleportacija kubite

Kvantna teleportacija je prvi put opisana za sisteme na dva nivoa, tzv kubite. Protokol s obzirom na dvije udaljene strane, zove Alice i Bob, koji dijele qubit 2, A i B su u čistom upletena države, koji se nazivaju Bell par. Na ulazu u Alice dati drugi qubit i čije stanje ρ je nepoznat. To onda obavlja zajednički kvantni mjerenja, koji se zove otkriće Bell. To nosi i A u jednom od četiri Bell države. Kao rezultat toga, ulazni stanje qubit kada se meri Alice nestaje i Bob B qubit istovremeno projektuje na P ^† _k ρP _k. U posljednjih protokol korak Alice prenosi klasičan rezultat njegovog mjerenja Bob, koji se odnosi Pauli P operater _k za vraćanje originalnih ρ.

Početno stanje od qubit Alice smatra anoniman, jer bi u suprotnom protokol se svodi na daljinsko mjerenje. Osim toga, to može samo po sebi biti dio većeg kompozitnih sistema, dijeli s treće strane (u ovom slučaju uspješne teleportacije sve potrebno za reprodukciju korelacije sa ovim trećim licima).

Tipičan eksperiment kvantne teleportacije uzima čiste prvobitno stanje i pripadaju ograničenom pisma, na primjer, šest polova Bloch sfere. U prisustvu kvaliteta dekoherencije obnovljene države mogu izraziti kvantitativno precizno teleportacija F ∈ [0, 1]. Ova preciznost između država Alice i Bob, u prosjeku preko svi rezultati detekciju Bell i original pisma. Za male vrijednosti preciznosti metoda postoji, omogućavajući nesavršen teleportacija bez složene resursa. Na primjer, Alice može direktno mjeriti u prvobitno stanje slanjem Bob za pripremu rezultanta države. Ova strategija mjerenje obuku nazivaju "klasične teleportacija." Ona ima maksimalnu preciznost F _class = 2/3 za bilo koji ulaz državu, ekvivalent po abecednom međusobno nepristrasan okolnostima kao što je Bloch kugli polova.

Dakle, jasan pokazatelj korištenje kvantne resursa je vrijednost preciznosti F> F _klase.

Ni jedan qubit

Prema kvantnoj fizici, teleportacija kubite nije ograničen, to može uključivati multidimenzionalni sistem. Za svaku konačnih mjera d mogu biti formulirani idealna shema teleportacija koristeći osnovu maksimalno uplete vektora stanja koje se može dobiti iz date maksimalno upleten države i osnova {U _k} unitarne operatore zadovoljavanju ^{_{TR (U † j U k)}} = dδ j, k . Takav protokol može biti izgrađena za bilo konačnih-Hilbertov prostor r. N. diskretna varijabla sistema.

Osim toga, kvantna teleportacija može primijeniti na sisteme sa beskonačnom Hilbertov prostor, pod nazivom kontinuiranu sistema. Po pravilu, oni su shvatili optičkim bozon režimima, električno polje koje se može opisati operatera u kvadraturi.

Brzinu i nesigurnost princip

Šta je brzina kvantne teleportacije? Informacije se prenose brzinom sličan brzina prenosa isti broj klasičnih - možda s brzinom svjetlosti. Teoretski, može tako da se koristi, kako klasične ne mogu - na primjer, u kvantno računarstvo, gdje su podaci dostupni samo primaocu.

Da li kvantne teleportacije krši nesigurnost Princip? U prošlosti, ideja teleportacije se stvarno ne uzima za ozbiljno naučnici, jer se smatralo da krši načelo zabrane bilo koji proces mjerenje ili skeniranje da izvuče sve informacije atom ili drugih objekata. U skladu sa principom neizvjesnosti, precizniji objekt se skenira, više je pod utjecajem procesa skeniranja do boda postignut kada prvobitno stanje objekta poremećeni u tolikoj mjeri da se više ne može dobiti dovoljno informacija za kreiranje replika. To zvuči uverljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz objekta za stvaranje savršenih kopija, ovo drugo ne može biti učinjeno.

Kvantna teleportacija za neupućene

Ali šest naučnici (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres i Uilyam Vuters) pronašao način da se ovaj logike, koristeći opjevanom i paradoksalno svojstvo kvantne mehanike poznat kao Einstein-Podolski-Rosen. Oni su pronašli način da se skenirati informacije teleportiran objekt A, a preostali neprovjerene dio preko učinak prijenosa drugih objekata u kontaktu sa A nikad ne pridržavaju.

Nakon toga, primjenom u C izlaganje zavisne skenirane informacije mogu se unijeti u državi za skeniranje. A sam nije u istom stanju kao i obrnuti proces skeniranja, tako ostvarila je teleportacija, a ne replikacije.

Borba za opseg

• Prvi Kvantna teleportacija je održan 1997. godine gotovo istovremeno su naučnici sa Univerziteta u Innsbrucku i Univerziteta u Rimu. Tokom eksperimenta izvor fotona imaju polarizacije, a jedan od par sputanih fotona je promijenjen, tako da drugi original polarizacije fotona primili. Tako je i fotoni su razmaknuti jedan od drugog.
• U 2012. godini, došlo je do redovnih kvantnu teleportaciju (Kina University of Science and Technology) kroz alpski jezera na udaljenosti od 97 km. Tim naučnika iz Šangaja predvodio Juan Iinem uspeli da razviju sugestivni mehanizam koji je omogućio precizno ciljane zraka.
• U septembru, što je rekord Kvantna teleportacija na 143 km izvršena je iste godine. Austrijski naučnici iz Akademije nauka Austrije i Univerziteta u Beču pod rukovodstvom Antona Tsaylingera uspješno prenosi kvantnih stanja između dva Kanari La Palma i Tenerife. Eksperiment koristiti dva optička komunikacijske linije na otvorenom, kvantumnaya i klasične, učestalost korelaciji polarizacije zamršen par fotona izvora, sverhnizkoshumnye single-photon detektori i kvačilo sat sinkronizacija.
• U 2015, istraživači iz američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju, po prvi put je prenos informacija na udaljenosti od više od 100 km optičkih vlakana. To je omogućeno zahvaljujući institut stvorio foton detektor koristi superprovodni nanožice molibdena silicide.

Jasno je da je ideal kvantnog sistema ili tehnologije još ne postoji i velika otkrića u budućnosti tek dolazi. Ipak, možemo pokušati identificirati mogućih kandidata za specifične aplikacije teleportacije. Pogodan hibridizacije im pruža dosljedan osnovi i metode mogu pružiti u budućnosti najviše obećava za kvantnu teleportaciju i njegove primjene.

kratkim udaljenostima

Teleportacija na maloj udaljenosti (1 m), kao kvantnog računanja podsistema obećavajući poluvodičkih uređaja, od kojih je najbolje je dijagram QED. Konkretno, superprovodni kubite transmonovye može garantirati deterministički i vrlo precizne teleportacija čip. Oni također omogućuju direktan protok u realnom vremenu, što se čini problematično na fotonske čipova. Osim toga, oni pružaju više skalabilna arhitektura, i bolju integraciju postojećih tehnologija u odnosu na prethodne pristupe, kao što je zarobljen jona. Trenutno, jedini nedostatak ovih sistema očito im je ograničeno vrijeme koherentnost (<100 ms). Ovaj problem se može riješiti pomoću QED integraciju sa poluvodičkih kola spin ansambl memorijske ćelije (azot-zamjenjen sa slobodnih radnih mjesta ili kristalno dopirani s rijetkim zemlje elementima), koja može pružiti dugo vremena koherentnost za kvantnu pohrane podataka. Trenutno, ovaj implementacija je stvar za veće napore znanstvene zajednice.

grad link

Nas teleportirati u grad skale (nekoliko kilometara) mogao bi se razviti pomoću optičkog režima. Na dovoljno nizak gubitak, ovi sistemi pružaju veliku brzinu i propusnost. Oni se mogu produžiti sa desktop implementacije do srednjeg dometa sisteme koji rade preko zraka ili optičko vlakno, sa moguću integraciju s ansamblom kvantne memorije. Na velike udaljenosti, ali uz manju brzinu može postići hibridni pristup ili razvijanje dobrih repetitora baziran na ne-Gaussian procesa.

telekomunikacijske

Na daljinu kvantnoj teleportaciji (preko 100 km) je aktivan, ali još uvijek pati od otvorenog problema. Polarizacija kubite - najbolji nosača za male brzine Teleport na dugim optičkih linije komunikacije i kroz vazduh, ali u ovom trenutku protokol je probabilistički zbog nepotpunih otkrivanje Bella.

Iako probabilističke teleportacija i uplitanje su pogodne za aplikacije kao što su destilacije zaplitanja i kvantne kriptografije, ali jasno je da se razlikuje od komunikacije u kojoj ulazni informacije moraju biti u potpunosti očuvana.

Ako prihvatimo ovaj probabilističkih prirode, implementacija satelita su na dohvat modernih tehnologija. Osim integracije metoda praćenja, glavni problem su visoki gubici od širenja snopa. To se može prevladati u konfiguraciji u kojoj se uplitanje distribuira sa satelita u zemaljski teleskop sa velikim otvorom blende. Pod pretpostavkom satelit otvor blende od 20 cm na 600 km visine i 1 m otvor teleskopa na terenu, može se očekivati oko 75 dB gubitka u downlink kanal koji je manji od 80 dB gubitka u prizemlju. Implementacija "zemlje satelita" ili "pratilac satelita" su složeniji.

kvantne memorije

Buduće korištenje teleportacije kao dio skalabilnih mreže je direktno vezana za svoju integraciju sa kvantnom memorije. Potonji mora imati vrhunski u pogledu efikasnosti konverzije sučelja "zračenja materije ', točnost snimanja i čitanja, vremena i skladišnih kapaciteta, velike brzine i skladišnih kapaciteta. Prije svega to vam omogućuje da koristite repetitori za poboljšanje komunikacije daleko izvan direktan prijenos pomoću greška korekciju kodova. Razvoj dobrih kvantne memorije će omogućiti ne samo da se distribuirati uplitanje i teleportacija mrežne komunikacije, ali i povezan za obradu pohranjene informacije. Na kraju krajeva, to bi moglo da se pretvori u mrežu međunarodno distribuiranih kvantni kompjuter ili osnova za buduće kvantni Internet.

obećavajući razvoji

Nuklearna ansambli tradicionalno smatra privlačnim zbog njihovog efikasnog konverzije "light-materija" i njihovih milisekundi vremena skladištenja, koji može biti i do 100 ms potrebno za prijenos svjetlosti na globalnom nivou. Međutim, naprednije kretanja sada se očekuje na osnovu poluprovodničkih sistema, gdje odličan spin ansambl kvantne memoriji direktno integrirana s skalabilne arhitekture kola QED. Ova memorija ne samo da može produžiti vrijeme koherentnosti kolo QED, ali i da optički mikrovalna interfejs za Inter-optičkih telekomunikacija i čip mikrovalna fotona.

Prema tome, budući otkrića naučnika na polju kvantne internet vjerovatno će biti zasnovana na daljinu optičke komunikacije, konjugirani poluprovodne jedinice za kvantne obrade informacija.