Teleportation kuantum: penemuan hebat fizik

teleportation kuantum adalah salah satu protokol yang paling penting dalam maklumat kuantum. Berdasarkan sumber-sumber fizikal kekeliruan, ia adalah elemen utama pelbagai tugas maklumat dan mewakili satu bahagian penting dalam teknologi kuantum memainkan peranan penting dalam perkembangan selanjutnya pengkomputeran kuantum, rangkaian dan komunikasi.

Dari sains fiksyen untuk penemuan saintifik

Sudah lebih dua dekad sejak penemuan teleportation kuantum, yang mungkin salah satu kesan yang paling menarik dan menarik dari "keganjilan" mekanik kuantum. Sebelum ini telah membuat penemuan yang hebat, idea ini kepunyaan alam fiksyen sains. Pertama dicipta pada tahun 1931 oleh Charles H. Fort istilah "teleportation" sejak itu telah digunakan untuk menggambarkan proses di mana badan dan objek yang dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain, ia tidak benar-benar mengatasi jarak antara mereka.

Pada tahun 1993, beliau menerbitkan satu artikel yang menerangkan protokol maklumat kuantum, yang dipanggil "teleportation kuantum", yang berkongsi beberapa gejala yang disenaraikan di atas. Ia keadaan yang tidak diketahui sistem fizikal diukur dan kemudiannya diterbitkan semula, atau "semula akan" di dalam laman web jauh (unsur-unsur fizikal sistem asal kekal dalam pemindahan tempat). Proses ini memerlukan cara-cara klasik komunikasi dan menghapuskan komunikasi superluminal. Ia memerlukan kehidupan yang serba kacau. Malah, teleportation boleh dilihat sebagai protokol maklumat kuantum yang paling jelas menunjukkan sifat kekeliruan: tanpa kehadiran keadaan pemindahan itu tidak mungkin dapat dilaksanakan dalam rangka undang-undang yang menghuraikan mekanik kuantum.

Teleportation telah memainkan peranan yang aktif dalam pembangunan sains maklumat. Dalam satu tangan, ini adalah protokol konsep, yang memainkan peranan penting dalam pembangunan kuantum formal teori maklumat, dan di pihak yang lain ia adalah satu komponen asas banyak teknologi. Kuantum repeater - unsur utama komunikasi jarak jauh. Teleportation suis kuantum, pengiraan berdasarkan ukuran dan rangkaian kuantum - semua terbitannya. Ia digunakan sebagai alat yang mudah untuk kajian "melampau" fizik, pada keluk sementara dan penyejatan lubang hitam.

Hari ini teleportation kuantum disahkan dalam makmal di seluruh dunia dengan menggunakan pelbagai substrat dan teknologi, termasuk qubits fotonik, resonans magnetik nuklear, mod optik, kumpulan atom, atom terperangkap dan sistem semikonduktor. keputusan cemerlang telah dicapai dalam pelbagai teleportation eksperimen akan datang dengan satelit. Lebih-lebih lagi, percubaan telah dibuat untuk meningkatkan kepada sistem yang lebih kompleks.

teleportation daripada qubits

Quantum teleportation pertama kali digambarkan untuk sistem dua peringkat, yang dipanggil qubits. Protokol mempertimbangkan dua pihak jauh, dipanggil Alice dan Bob, yang berkongsi qubit 2, A dan B berada dalam keadaan terikat tulen, juga dikenali sebagai pasangan Bell. Di pintu masuk ke Alice diberikan qubit lain dan yang keadaan ρ tidak diketahui. Ia kemudian melakukan ukuran kuantum bersama, yang dipanggil penemuan Bell. Ia membawa dan A dalam salah satu daripada empat negeri Bell. Akibatnya, negeri input qubit apabila diukur Alice hilang dan Bob B qubit pada masa yang sama dijangka pada P ^† _k ρP _k. Dalam protokol langkah terakhir Alice menghantar Hasilnya klasik pengukuran Bob, yang memohon pengendali _k Pauli P untuk memulihkan ρ asal.

Keadaan awal yang qubit Alice tidak tanpa nama, kerana jika tidak, protokol dikurangkan kepada pengukuran terpencil. Di samping itu, ia sendiri boleh menjadi sebahagian daripada sistem yang lebih besar komposit, dikongsi dengan pihak ketiga (dalam kes ini teleportation berjaya semua memerlukan korelasi main semula dengan pihak ketiga ini).

Eksperimen tipikal teleportation kuantum mengambil keadaan asalnya yang suci dan kepunyaan abjad terhad, sebagai contoh, enam tiang sfera Bloch itu. Di hadapan kualiti decoherence negara yang dibina semula boleh dinyatakan secara kuantitatif tepat teleportation F ∈ [0, 1]. ketepatan ini antara negara Alice dan Bob, purata alih semua keputusan pengesanan Bell dan abjad asal. Untuk nilai kecil ketepatan kaedah wujud, membolehkan teleportation tidak sempurna tanpa sumber yang rumit. Sebagai contoh, Alice langsung boleh mengukur keadaan asalnya dengan menghantar Bob untuk penyediaan negeri yang terhasil. Strategi ukuran-latihan ini dirujuk sebagai "teleportation klasik." Ia mempunyai ketepatan maksimum _kelas F = 2/3 untuk mana-mana negeri input, abjad bersamaan keadaan saling tidak berat sebelah seperti bidang Bloch enam tiang.

Oleh itu, petunjuk yang jelas tentang penggunaan sumber kuantum ialah F nilai ketepatan> _{kelas F.}

Bukan qubit tunggal

Menurut fizik kuantum, teleportation daripada qubits tidak terhad, ia boleh memasukkan sistem pelbagai dimensi. Bagi setiap langkah terhingga d boleh dirumuskan ideal skim teleportation menggunakan asas maksima vektor terikat negeri yang boleh diperolehi dari memandangkan keadaan yang maksima terikat dan asas {U _k} pengendali kesatuan memuaskan ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Seperti protokol yang boleh dibina bagi apa-apa terhingga Hilbert ruang r. N. sistem berubah-ubah diskret.

Tambahan pula, teleportation kuantum boleh memohon untuk sistem dengan ruang Hilbert tak terhingga, yang dipanggil sistem terus-ubah. Sebagai peraturan, mereka disedari oleh mod boson optik, medan elektrik yang boleh digambarkan pengendali kuadratur.

Kelajuan dan prinsip ketidakpastian

Apa yang kelajuan teleportation kuantum? Maklumat dihantar pada kelajuan yang sama dengan kelajuan penghantaran jumlah yang sama klasik - mungkin dengan kelajuan cahaya. Secara teorinya, ia boleh dengan itu digunakan, bagaimana klasik tidak boleh - sebagai contoh, dalam pengkomputeran kuantum, di mana data boleh didapati hanya untuk penerima.

Adakah teleportation kuantum melanggar Prinsip Ketidakpastian itu? Pada masa lalu, idea teleportation tidak benar-benar diambil serius oleh ulama, kerana ia dipercayai bahawa ia melanggar prinsip yang melarang mana-mana proses pengukur atau pengimbasan untuk mengeluarkan semua atom maklumat atau objek lain. Selaras dengan prinsip yang tidak menentu, lebih tepat objek yang diimbas, semakin ia dipengaruhi oleh proses pengimbasan sehingga satu titik dicapai apabila keadaan asal objek terganggu ke tahap yang lebih tidak boleh diperolehi maklumat yang cukup untuk membuat replika. Ia kedengaran meyakinkan: jika seseorang tidak boleh mendapatkan maklumat daripada objek untuk membuat salinan sempurna, kedua tidak boleh dilakukan.

Teleportation Quantum for Dummies

Tetapi enam saintis (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres dan Uilyam Vuters) menemui satu cara sekitar logik ini, menggunakan ciri terkenal dan paradoks mekanik kuantum yang dikenali sebagai Einstein-Podolsky-Rosen. Mereka menemui satu cara untuk mengimbas maklumat teleportation objek A, dan bahagian belum dicuba baki melalui kesan pemindahan objek lain dalam hubungan dengan A tidak kekal di dalamnya.

Selepas itu, dengan memohon kepada pendedahan C maklumat diimbas bergantung boleh dimasukkan ke dalam kerajaan A untuk mengimbas. Dan dirinya tidak berada dalam keadaan yang sama seperti proses pengimbasan diterbalikkan, dengan itu dicapai adalah teleportation, tidak replikasi.

Perjuangan untuk julat

• The teleportation kuantum pertama berlaku pada tahun 1997 hampir serentak oleh saintis dari University of Innsbruck dan University of Rome. Semasa eksperimen sumber foton mempunyai polarisasi, dan salah satu daripada sepasang foton terikat telah diubah supaya polarisasi foton asal kedua yang diterima. Oleh itu kedua-dua foton dijarakkan antara satu sama lain.
• Pada tahun 2012, teleportation biasa kuantum (China Universiti Sains dan Teknologi) melalui tasik alpine pada jarak 97 km. Sekumpulan saintis dari Shanghai diketuai oleh Juan Iinem berjaya membangunkan satu mekanisme senonoh yang dibenarkan rasuk tepat disasarkan.
• Pada bulan September, yang teleportation kuantum rekod 143 km telah dijalankan tahun yang sama. saintis Austria dari Akademi Sains Austria dan University of Vienna di bawah arahan Antona Tsaylingera telah berjaya dihantar kuantum antara kedua-dua Kepulauan Canary La Palma dan Tenerife. Eksperimen menggunakan dua talian komunikasi optik secara terbuka, kvantumnaya dan klasik, kekerapan polarisasi korelasi kusut sepasang sumber foton, sverhnizkoshumnye Pengesan tunggal foton dan penyegerakan jam klac.
• Pada tahun 2015, penyelidik dari Institut US Piawaian dan Teknologi buat kali pertama yang dibuat pemindahan maklumat dari suatu jarak, lebih daripada 100 km gentian optik. Ini telah dibuat terima kasih mungkin untuk institut pengesan foton dicipta menggunakan nanowires superkonduktor molibdenum silicide.

Adalah jelas bahawa yang sesuai untuk sistem kuantum atau teknologi tidak lagi wujud dan penemuan hebat di masa hadapan masih belum datang. Walau bagaimanapun, kita boleh cuba untuk mengenal pasti calon mungkin untuk aplikasi tertentu teleportation. penghibridan sesuai mereka menyediakan asas yang konsisten dan kaedah boleh memberikan masa depan yang paling menjanjikan untuk teleportation kuantum dan aplikasinya.

jarak yang pendek

Teleportation jarak yang singkat (1 m) sebagai kuantum pengiraan subsistem peranti semikonduktor menjanjikan, yang terbaik daripadanya ialah gambarajah QED. Khususnya, qubits superkonduktor transmonovye dijamin berketentuan dan sangat tepat cip teleportation. Mereka juga membenarkan aliran langsung dalam masa nyata, yang seolah-olah bermasalah pada cip fotonik. Selain itu, mereka menyediakan kerangka yang lebih berskala, dan integrasi yang lebih baik teknologi yang sedia ada berbanding dengan pendekatan sebelumnya, seperti ion terperangkap. Pada masa ini, satu-satunya kelemahan sistem ini nampaknya adalah masa kepaduan mereka yang terhad (<100 ms). Masalah ini boleh diselesaikan dengan menggunakan integrasi QED dengan litar semikonduktor berputar sel-sel memori ensemble (nitrogen-digantikan dengan kekosongan atau kristal didopkan dengan unsur-unsur nadir bumi), yang boleh memberi masa kepaduan yang lama untuk kuantum simpanan data. Pada masa ini, pelaksanaan ini adalah satu perkara untuk usaha yang lebih daripada komuniti saintifik.

link City

Kami teleport dengan skala bandar (beberapa kilometer) boleh dibangunkan menggunakan mod optik. Rugi cukup rendah, sistem ini memberikan kelajuan yang tinggi dan jalur lebar. Ia boleh dilanjutkan dari pelaksanaan desktop kepada sistem jarak sederhana yang beroperasi melalui udara atau gentian optik, dengan integrasi mungkin dengan ensemble memori kuantum. Pada jarak yang jauh, tetapi dengan kelajuan yang lebih rendah boleh dicapai dengan pendekatan hibrid atau dengan membangunkan pengulang baik berdasarkan proses bukan Gaussian.

telekomunikasi

Jarak jauh teleportation kuantum (lebih 100 km) adalah kawasan yang aktif, tetapi masih mengalami masalah terbuka. qubits polarisasi - pembawa terbaik teleport kelajuan rendah melalui talian gentian optik panjang komunikasi dan melalui udara, tetapi pada masa ini protokol ialah kebarangkalian kerana pengesanan tidak lengkap Bella.

Walaupun teleportation kebarangkalian dan tersangkut adalah sesuai untuk aplikasi seperti penyulingan tersangkut dan kriptografi kuantum, tetapi ia adalah jelas berbeza daripada komunikasi maklumat itu input mesti dipelihara sepenuhnya.

Jika kita menerima sifat kebarangkalian ini, pelaksanaan satelit yang berada dalam jangkauan teknologi moden. Selain integrasi kaedah pengesanan, masalah utama adalah kerugian yang tinggi disebabkan oleh penyebaran rasuk. Ini boleh diatasi dalam konfigurasi di mana tersangkut diagihkan dari satelit untuk teleskop daratan dengan aperture yang besar. Dengan mengandaikan aperture satelit 20 cm pada 600 km ketinggian dan 1 m aperture teleskop di atas tanah, kita boleh menjangka kira-kira 75 dB kerugian dalam saluran pautan turun yang kurang daripada 80 dB kerugian di peringkat akar umbi. Pelaksanaan "satelit bumi" atau "satelit sahabat" adalah lebih kompleks.

memori kuantum

Kegunaan masa hadapan teleportation sebagai sebahagian daripada rangkaian berskala secara langsung berkaitan dengan integrasi dengan memori kuantum. Yang terakhir ini mesti mempunyai yang hebat dari segi kecekapan antara muka penukaran "radiasi perkara ', ketepatan rakaman dan membaca, masa dan kapasiti simpanan, kelajuan tinggi dan kapasiti simpanan. Pertama sekali ia membolehkan anda untuk menggunakan pengulang untuk meningkatkan komunikasi jauh di luar pemindahan terus menggunakan ralat kod pembetulan. Pembangunan memori kuantum yang baik akan membolehkan bukan sahaja untuk mengedarkan tersangkut dan komunikasi rangkaian teleportation, tetapi juga berkaitan untuk memproses maklumat yang disimpan. Akhirnya, ini boleh bertukar menjadi satu rangkaian diedarkan di peringkat antarabangsa komputer kuantum atau asas untuk Internet kuantum masa depan.

perkembangan menjanjikan

berkumpulan nuklear tradisinya dianggap menarik kerana penukaran cekap mereka "cahaya-perkara" dan tempoh milisaat mereka simpanan, yang boleh sehingga 100 ms diperlukan untuk menghantar cahaya di peringkat global. Walau bagaimanapun, perkembangan yang lebih maju kini dijangka berdasarkan sistem semikonduktor, di mana spin sangat baik memori kuantum ensemble langsung bersepadu dengan seni bina berskala litar QED. memori ini bukan sahaja boleh melanjutkan litar masa kepaduan QED, tetapi juga untuk menyediakan antara muka optik microwave untuk saling pertukaran optik telekomunikasi dan cip foton microwave.

Oleh itu, penemuan masa depan saintis dalam bidang internet kuantum mungkin akan berdasarkan komunikasi optik jarak jauh, unit semiconducting conjugated untuk pemprosesan maklumat kuantum.