Quantum teleportacija: veliki odkritja fizikov

Quantum teleportacija je eden od najpomembnejših protokolov v kvantni informacij. Na podlagi fizičnih virov zmede, da je glavni element različnih informacijskih nalog in predstavlja pomemben del kvantne tehnologije, ki igrajo ključno vlogo pri nadaljnjem razvoju kvantnega računalništva, in komunikacijo.

Od znanstvene fantastike do znanstvenih odkritij

To je že več kot dve desetletji od odkritja kvantne teleportacijo, ki je verjetno ena izmed najbolj zanimivih in razburljivih posledice "nenavadnosti" kvantne mehanike. Preden so jih na veliko odkritij, ta ideja je pripadal na področje znanstvene fantastike. Najprej je izumil leta 1931, ki ga Charles H. Fort izraz "teleportacijo" je bil, ker se uporablja za opis postopka, s katerim se telo in predmeti prenesejo iz enega kraja v drugega, to ni res premagati razdaljo med njima.

Leta 1993 je objavil članek, ki opisuje protokol kvantne informacije, ki se imenuje "kvantna teleportacija", ki je v skupni rabi nekaterih zgoraj naštetih simptomov. To neznano stanje fizičnega sistema se meri in nato reproducirati, ali "ponovno dogaja" v oddaljenem mestu (fizični elementi prvotnega sistema ostati v prenosu mesto). Ta proces zahteva klasične komunikacijska sredstva in odpravlja superluminal komunikacijo. To zahteva življenje zmede. V bistvu, lahko teleportacija treba gledati kot protokol kvantne informacije, ki najbolj jasno kaže naravo zmede: brez prisotnost stanju prenosa ne bi bilo mogoče v okviru zakonov, ki opisujejo kvantne mehanike.

Teleportacija je imela aktivno vlogo pri razvoju znanosti informacij. Po eni strani gre za konceptualno protokol, ki ima ključno vlogo pri razvoju formalnega kvantne teorije informacij, in na drugi strani, da je temeljna sestavina številnih tehnologij. Kvantni repetitor - ključni element komunikacije na dolge razdalje. Teleportacijo kvantne stikala, računanja na osnovi meritev in kvantnega omrežja - so vsi njihovi derivati. Uporablja se kot preprosto orodje za študij "skrajnosti" fizike, o začasnih krivulje in izhlapevanje črne luknje.

Danes kvantna teleportacija potrdili v laboratorijih po vsem svetu s pomočjo različnih podlagah in tehnologij, vključno z fotonske qubiti, jedrsko magnetno resonanco, optičnih načinov, skupin atomov, ujetih atomov in polprevodniških sistemih. Izjemni rezultati so bili doseženi v teleportacija dosega prihodnjih poskusih s satelitov. Poleg tega je bilo poskusov, da obsega do bolj kompleksnih sistemov.

teleportacija od qubiti

Quantum teleportacija je bil prvič opisan za sisteme v dveh nivojih, tako imenovanih qubiti. Protokol upoštevamo dve oddaljene stranke, ki se imenuje Alice in Bob, ki si delijo kubit 2, A in B, so v čisti zapletla stanje, ki se imenuje tudi Bell par. Ob vhodu v Alice dal še eno kubit in katerega pogoj ρ ni znan. Nato izvaja skupno kvantne meritve, ki se imenuje odkritje Bell. To nosi in A v enem od štirih Bell držav. Kot rezultat, vnos stanje kubit, merjeno Alice izgine in bob B kubit istočasno projicira na P ^† _k ρP _k. V zadnjem koraku protokola Alice prenaša klasični rezultat njenega merjenja Bob, ki se uporablja Pauli P _k operaterju, vrniti v prvotno P.

Začetno stanje na kubit Alice velja anonimni, saj se v nasprotnem primeru protokol zmanjša na njegovo daljinsko merjenje. Poleg tega lahko tudi sama del večje sestavljenega sistema, deljeno s tretjo osebo (v tem primeru uspešno teleportacijo vse potrebno za predvajanje korelacije s to tretjo osebo).

Tipičen eksperiment kvantne teleportacija je čisto prvotno stanje in spada v omejenem abecede, na primer, šest polov Bloch sferi. V navzočnosti kakovosti decoherence rekonstruiranega stanju se lahko izrazi kvantitativno točne teleportacija F G [0, 1]. Ta natančnost med stanji Alice in Bob, kot povprečje vseh rezultatov odkrivanje Bell in originalni abecede. Za majhne vrednosti točnosti metode obstajajo, kar omogoča nepopolne teleportacija brez zapletena vira. Na primer, lahko Alice neposredno meriti svoje prvotno stanje tako, da pošljejo Bob za pripravo nastalega stanja. Ta strategija merjenje usposabljanje besedilu "klasično teleportacija." Ima največjo natančnost F _razred = 2/3 za vsako vhodno stanje, enakovredno abecednem vrstnem redu med seboj nepristranskih pogojev, kot je Bloch področju šest polov.

Tako je jasno navedbo uporabe kvantnih virov je natančnost vrednost F> F _razred.

Niti enega kubit

Po kvantni fiziki, teleportacija od qubiti ni omejeno, lahko pa vsebuje tudi večdimenzionalen sistem. Za vsako končno ukrep D lahko formuliramo idealno shemo teleportacijo uporabo podlaga maksimalno zaplete državne vektorji, ki jih lahko pridobi iz danega maksimalno zapletla stanju in podlage _{uk} unitarne subjekti izpolnjujejo ^{_{tr (U † j U K)}} = dδ J, K . Tako protokol se lahko konstruirana za vsako končno-Hilbertov prostor r. N. diskretni variabilni sistemi.

Poleg tega lahko kvantna teleportacija uporablja za sisteme z neskončno Hilbertovem prostoru, ki se imenuje stalno-variabilni sistemi. Praviloma so realizirani z optičnimi bozon načine, električnega polja, ki jih je mogoče opisati operaterjev kvadraturnih.

Hitrost in negotovost načelo

Kaj je hitrost kvantne teleportacija? Informacija se prenaša s hitrostjo, ki je podobna hitrosti prenosa enako število klasike - po možnosti s svetlobno hitrostjo. Teoretično lahko torej treba uporabiti, kako klasične ne more - na primer, v kvantni računalnik, kjer so podatki le za prejemnika na voljo.

Ali kvantna teleportacija krši negotovosti načelo? V preteklosti se je ideja teleportacija ni res vzeti resno znanstveniki, saj so verjeli, da krši načelo prepovedi vsako merilno ali skeniranje postopku ekstrakcije vse atom informacijske ali druge predmete. V skladu z načelom negotovosti, ki je bolj natančen predmet skenirati, bolj je vplival proces pregledovanja, dokler ne dosežemo točke, ko je prvotno stanje objekta moti do te mere, da bolj ne more biti pridobljena voljo dovolj informacij za repliko. Sliši se prepričljivo: če oseba ne more izvleči podatke iz objekta za ustvarjanje popolne kopije, slednje ni mogoče storiti.

Quantum teleportacijo za telebane

Toda šest znanstveniki (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres in Uilyam Vuters) našel pot okoli tej logiki, s pomočjo slavnega in paradoksalno lastnost kvantne mehanike, znanih kot Einstein-Podolsky-Rosen. So našli način za skeniranje informacijskega Teleportirane objekta A in preostali nepreverjeno del prek učinka prenosa drugih predmetov v stiku z nikoli ne spoštujejo.

Kasneje se lahko, tako, da se izpostavljenosti C odvisne skenirani podatki vnesejo v državni A za skeniranje. In sam ni v enakem stanju, kot obratnem skeniranja in tako dosegli, teleportacija, ne replikacija.

Boj za območje

• Prvi kvantni teleportacija je potekala leta 1997, skoraj istočasno znanstvenikov z Univerze v Innsbrucku in na univerzi v Rimu. Med poskusom vir foton s polarizacijo, in eden od par prepletenih fotonov bil spremenjen tako, da je drugi prvotni polarizacijo fotonov prejeli. Tako sta obe fotoni razmaknjeni drug od drugega.
• V letu 2012 je bil redni kvantno teleportacijo (Kitajska univerza za znanost in tehnologijo) skozi alpsko jezero na razdalji 97 km. Skupina znanstvenikov iz Šanghaja Juan Iinem vodstvom uspelo razviti sugestivno mehanizem, ki je omogočala natančno ciljano žarek.
• V septembru je bil zapis kvantna teleportacija na 143 km opraviti v istem letu. Avstrijski znanstveniki iz Akademije znanosti v Avstriji in na Univerzi na Dunaju pod vodstvom Antona Tsaylingera uspešno prenašajo kvantna stanja med obema Kanarskih otokih La Palma in Tenerife. Poskus uporablja dve optične komunikacijske linije v odprtem, kvantumnaya in klasično, frekvenca nepovezano polarizacija zapleten par virov fotonov, sverhnizkoshumnye detektorje enim fotona in nadaljevankah sklopke sinhronizacijo ure.
• Leta 2015 so raziskovalci iz ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo za prvič je prenos podatkov na razdalji več kot 100 kilometrov optičnih vlaken. To je bilo mogoče zaradi zavoda ustvarjeno fotonov detektorja pomočjo superprevodnih nanožic molibdena silicida.

Jasno je, da se idealno sistema kvantne ali tehnologije še ne obstaja in velika odkritja v prihodnosti še pride. Kljub temu pa lahko poskušamo ugotoviti možne kandidate za posebne aplikacije teleportacija. Primerno hibridizacija jim zagotoviti dosledno in metode lahko zagotovijo najbolj obetavno prihodnost za kvantno teleportacijo in njene uporabe.

kratke razdalje

Teleportacija kratki razdalji (1 m), kot kvantno računanje podsistema obetavnih polprevodniških elementov, med katerimi je najbolj je diagram QED. Zlasti superprevodnih qubiti transmonovye more jamčiti deterministično in zelo natančno teleportacijo čip. Prav tako omogočajo neposreden pretok realnem času, kar se zdi problematično na fotonske čipov. Poleg tega zagotavljajo bolj prilagodljivo arhitekturo in boljšega vključevanja obstoječih tehnologij v primerjavi s prejšnjimi pristopi, kot je ujetih ionov. Trenutno je edina pomanjkljivost teh sistemov očitno je njihov omejen čas skladnost (<100 ms). Ta problem se lahko reši s pomočjo povezovanja QED s polprevodniških vezij spin Zasedba pomnilniških celic (dušik substituiran z mest ali kristal dopiran z redkimi zemeljskimi elementi), ki lahko zagotovijo dolgo časa skladnosti za celoten shranjevanja podatkov. Trenutno je ta izvedba je stvar k večjim prizadevanjem znanstvene skupnosti.

mesto povezava

Nam teleport na mesto lestvice (nekaj kilometrov), bi bilo mogoče razviti s pomočjo optičnih načine. Pri dovolj nizki izgubo, ti sistemi zagotavljajo visoko hitrost in pasovne širine. Lahko se razširi od namiznih izvedb do sistemov srednjega dosega, ki delujejo po zraku ali optike, z možnostjo povezovanja z ansamblom kvantne spomina. Na dolge razdalje, vendar z nižjo hitrostjo mogoče doseči s hibridnim pristopom ali z razvijanjem dobrih repetitorji, ki temelji na ne-Gaussovih procesov.

telekomunikacije

Medkrajevni kvantna teleportacija (nad 100 km) je aktivno območje, vendar pa še vedno trpi zaradi odprtega problema. Polarizacija qubiti - najboljši nosilci za nizke hitrosti teleport na dolge optičnih potmi in skozi zrak, vendar v tem trenutku je protokol verjetnostna zaradi nepopolne detekcijo Bella.

Čeprav so verjetnostno teleportacija in zapletanje primeren za aplikacije, kot so destilacija zapletanja in kvantne kriptografije, vendar je jasno razlikuje od sporočila, v katerem mora biti vhodni podatki v celoti ohranjeno.

Če sprejmemo to verjetnostno naravo, izvajanje satelita so v dosegu sodobnih tehnologij. Poleg povezovanja metod za sledenje, glavni problem so velike izgube, ki jih širjenje žarka povzroča. To je mogoče premagati v konfiguraciji, kjer je preplet porazdeljeno od satelita na zemeljski teleskop z veliko odprtino. Ob predpostavki, satelitska odprtino 20 cm pri 600 višine km in 1 m odprtino teleskop na terenu, lahko pričakujemo približno 75 dB izgube v navzdolnje kanalu, ki je manjša od 80 dB izgube na tleh. Izvajanje "zemlje satelita" ali "tovariš satelit", so bolj zapletena.

quantum spomin

Prihodnost uporabo teleportacijo kot del prilagodljivo omrežje je neposredno povezana z njegovo integracijo s kvantno spomin. Slednji mora imeti odlično v smislu vmesnika pretvorba učinkovitost "sevanja spora", natančnostjo snemanje in branje, čas in skladiščne zmogljivosti, visoke hitrosti in skladiščne zmogljivosti. Najprej vam omogoča uporabo repetitorji za izboljšanje komunikacije daleč preko neposrednega prenosa z uporabo korekcijskih kode napak. Razvoj dobrih kvantne spomin bi omogočilo ne le za distribucijo prepletanje in komunikacijo teleportacija omrežja, ampak tudi povezan z obdelavo shranjenih informacij. Konec koncev, to lahko spremeni v mrežo mednarodno porazdeljene kvantnega računalnika ali osnovo za prihodnje kvantne interneta.

razvoj obetaven

Jedrske kompleti tradicionalno velja zanimiva zaradi svoje učinkovite pretvorbe "lahkih snovi" in njihovih milisekundo obdobja skladiščenja, ki je lahko do 100 ms, ki so potrebni za prenos svetlobe po vsem svetu. Vendar pa so bolj napredni razvoj zdaj pričakuje na osnovi polprevodniških sistemov, kjer je odličen spin ansambel quantum pomnilniška integrirana neposredno s prilagodljivo arhitekturo vezja QED. Ta spomin ne le razširiti kroga QED časovno usklajenost, ampak tudi zagotoviti optično-mikrovalovna vmesnik za medsebojnimi optičnih telekomunikacijskih in čip mikrovalovne fotonov.

Tako prihodnje odkritja znanstvenikov na področju kvantne internetu, verjetno temeljijo na dolge razdalje optičnih komunikacij, konjugiranih polprevodnih enote za kvantno obdelavo informacij.