Quantum teleportasie: die groot ontdekkings van fisici

Quantum teleportasie is een van die belangrikste protokolle in kwantum inligting. Gebaseer op die fisiese hulpbronne van verwarring, dit is die belangrikste element van die verskillende inligting take en 'n belangrike deel van kwantum tegnologie speel 'n belangrike rol in die verdere ontwikkeling van quantum computing, netwerke en kommunikasie.

Van wetenskapfiksie wetenskaplike ontdekkings

Dit is meer as twee dekades sedert die ontdekking van kwantum teleportasie, wat waarskynlik een van die mees interessante en opwindende gevolge van "vreemdheid" van kwantummeganika. Voor hierdie groot ontdekkings gemaak, hierdie idee behoort aan die koninkryk van die wetenskap fiksie. Eerste uitgevind in 1931 deur Charles H. Fort term "teleportasie" is sedertdien gebruik word om die proses waardeur die liggaam en die voorwerpe is oorgedra van een plek na 'n ander te beskryf, is dit nie regtig oorwin die afstand tussen hulle.

In 1993 publiseer hy 'n artikel beskryf die protokol van kwantum inligting, die sogenaamde "quantum teleportasie", wat 'n paar van die bogenoemde simptome gedeel. Dit onbekende toestand van 'n fisiese stelsel is gemeet en daarna opgeneem, of "weer gaan" in die afgeleë plek (die fisiese elemente van die oorspronklike stelsel in plek bly oordrag). Hierdie proses vereis dat die klassieke manier van kommunikasie en elimineer superluminal kommunikasie. Dit vereis 'n lewe van verwarring. In feite, kan teleportasie gesien word as 'n protokol van kwantum inligting wat die duidelikste bewys van die aard van die verwarring: sonder die teenwoordigheid van 'n staat van die oordrag nie moontlik binne die raamwerk van die wette wat die kwantummeganika beskryf sou wees.

Teleportasie het 'n aktiewe rol gespeel in die ontwikkeling van die wetenskap van inligting. Aan die een kant is dit 'n konseptuele protokol, wat 'n belangrike rol in die ontwikkeling van 'n formele kwantum speel inligting teorie, en aan die ander kant is dit 'n belangrike komponent van baie tegnologie. Die kwantum herhaler - 'n belangrike element van kommunikasie langafstand. Teleportasie kwantum skakelaars, berekening gebaseer op metings en kwantum netwerk - is almal derivate daarvan. Dit word gebruik as 'n eenvoudige hulpmiddel vir die bestudering van "uiterste" van fisika, op tydelike kurwes en verdamping van swart gate.

Vandag kwantum teleportasie bevestig in laboratoriums regoor die wêreld met behulp van 'n verskeidenheid van materiale en tegnologie, insluitend fotonische qubits, kernmagnetiese resonansie, optiese modes, groepe atome, die vasgekeerde atome en halfgeleier stelsels. Uitstekende resultate behaal is in die teleportasie reeks koms eksperimente met satelliete. Verder, is pogings aangewend om op die skaal om meer komplekse stelsels.

teleportasie van qubits

Quantum teleportasie is die eerste keer beskryf vir die twee-vlak stelsels, die sogenaamde qubits. Protokol oorweeg twee afgeleë partye, genaamd Alice en Bob, wat qubit 2 deel, A en B is in suiwer verstrengel staat, ook bekend as Bell paar. By die ingang na Alice gegee 'n ander qubit en wie se toestand ρ is onbekend. Dit voer dan 'n gesamentlike kwantum meting, bekend as die ontdekking van Bell. Dit dra 'n en 'n in een van die vier Bell state. As gevolg hiervan, die insette toestand van die qubit wanneer gemeet Alice verdwyn en Bob B qubit gelyktydig geprojekteer op P ^† _k ρP _k. In die laaste stap protokol stuur Alice n klassieke gevolg van sy meting Bob, wat Pauli P _k operateur van toepassing op die oorspronklike ρ herstel.

Die aanvanklike toestand van 'n qubit Alice word beskou as anoniem, want anders sal die protokol is verminder tot sy afgeleë meting. Daarbenewens kan dit self deel van 'n groter saamgestelde stelsel, gedeel met 'n derde party (in hierdie geval suksesvolle teleportasie al vereis afspeel korrelasies met hierdie derde party).

'N Tipiese eksperiment van kwantum teleportasie neem suiwer oorspronklike toestand en wat deel uitmaak van 'n beperkte alfabet, byvoorbeeld, ses pale van die Bloch sfeer. In die teenwoordigheid van deco here ntie gehalte van die gerekonstrueerde staat uitgedruk kan word kwantitatief akkurate teleportasie F ∈ [0, 1]. Dit akkuraatheid tussen state van Alice en Bob, gemiddeld oor al die opsporing resultate van die Bell en die oorspronklike alfabet. Vir klein waardes van die akkuraatheid van metodes bestaan, wat vir onvolmaakte teleportasie sonder ingewikkelde hulpbron. Byvoorbeeld, kan Alice direk sy oorspronklike toestand te meet deur die stuur van Bob vir die voorbereiding van die gevolglike staat. verwys hierdie meting-opleiding strategie om as "klassieke teleportasie." Dit het 'n maksimum akkuraatheid van F _class = 2/3 vir enige insette staat, die ekwivalent alfabetiese wedersyds onbevooroordeelde toestande soos die Bloch sfeer ses pale.

Dus, 'n duidelike aanduiding van die gebruik van kwantum hulpbronne is 'n presisie waarde F> F _klas.

Nie 'n enkele qubit

Volgens kwantumfisika, teleportasie van qubits is nie beperk, dit kan 'n multi-dimensionele stelsel sluit. Vir elke eindige maat d geformuleer kan word ideaal skema teleportasie behulp basis maksimaal verstrengel staat vektore wat kan verkry word vanaf 'n gegewe maksimaal verstrengel staat en 'n basis {U _k} unitêre operatore te bevredig ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . So 'n protokol kan gebou word vir enige eindige-Hilbert ruimte r. N. diskrete veranderlike stelsels.

Verder kan kwantum teleportasie van toepassing op stelsels met oneindig Hilbertruimte, genoem voortdurend veranderlike stelsels. As 'n reël, is hulle besef deur optiese boson modes, die elektriese veld wat beskryf kan word kwadratuur operateurs.

Spoed en onsekerheid beginsel

Wat is die spoed van kwantum teleportasie? Inligting oorgedra word teen 'n spoed soortgelyk aan die spoed van oordrag van die dieselfde aantal klassieke - moontlik met die spoed van lig. Teoreties, kan dit dus gebruik word, hoe klassieke kan nie - byvoorbeeld, in quantum computing, waar die data is slegs beskikbaar vir die ontvanger.

Maak kwantum teleportasie oortree die onsekerheidsbeginsel? In die verlede, die idee van teleportasie is nie regtig ernstig deur geleerdes geneem, want dit is geglo dat dit die beginsel van 'n verbod op enige meting of scan proses om al die inligting atoom of ander voorwerp te onttrek oortree. In ooreenstemming met die beginsel van onsekerheid, hoe meer akkuraat die voorwerp geskandeer, hoe meer dit word beïnvloed deur die scan proses totdat 'n punt bereik word wanneer die oorspronklike toestand van die voorwerp versteur tot so 'n mate dat meer nie genoeg inligting om 'n replika te skep kan verkry. Dit klink oortuigend: indien 'n persoon nie inligting van die voorwerp kan onttrek om volmaakte kopieë skep, kan laasgenoemde nie gedoen word nie.

Quantum teleportasie vir Dummies

Maar die ses wetenskaplikes (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Aser Peres, en Uilyam Vuters) het 'n manier om hierdie logika, met behulp van 'n gevierde en paradoksale verskynsel van kwantummeganika bekend as die Einstein-Podolsky-Rosen. Hulle het 'n manier om die inligting teleported voorwerp A scan, en die oorblywende ongetoets gedeelte via die effek van die oordrag ander voorwerpe in kontak met 'n nooit bly.

Daarna het deur die toepassing van blootstelling C afhanklik geskandeer inligting kan in die staat A tot scan daaroor gevoer word nie. En hy het self nie in dieselfde toestand as die omgekeerde scan proses, dus bereik is teleportasie, nie-replikasie.

Die stryd om die reeks

• Die eerste quantum teleportasie plaasgevind het in 1997, byna gelyktydig deur wetenskaplikes van die Universiteit van Innsbruck en die Universiteit van Rome. Gedurende die eksperiment 'n foton bron met 'n polarisasie, en een van 'n paar van verstrengel fotone is verander sodat die tweede oorspronklike polarisasie foton ontvang. So beide fotone gespasieer van mekaar.
• In 2012, was daar 'n gereelde kwantum teleportasie (China Universiteit van Wetenskap en Tegnologie) deur die berg meer op 'n afstand van 97 km. 'N Span wetenskaplikes van Sjanghai gelei deur Juan Iinem daarin geslaag om 'n suggestiewe meganisme wat presies geteikende balk toegelaat te ontwikkel.
• In September, is 'n rekord kwantum teleportasie op 143 km dieselfde jaar uitgevoer. Oostenrykse wetenskaplikes van die Akademie vir Wetenskap van Oostenryk en die Universiteit van Wene onder leiding van Antona Tsaylingera suksesvol oorgedra kwantum state tussen die twee Kanariese Eilande van La Palma en Tenerife. Die eksperiment gebruik twee optiese kommunikasie lyne in die oop, kvantumnaya en klassieke, frekwensie ongekorreleerd polarisasie verstrengel denim fotone bronne, sverhnizkoshumnye enkel-foton detectors en koppelaar klok sinchronisasie.
• In 2015 het navorsers van die Amerikaanse Nasionale Instituut van Standaarde en Tegnologie vir die eerste keer het die oordrag van inligting oor 'n afstand van meer as 100 km van optiese vesel. Dit is moontlik gemaak te danke aan die instituut geskep foton detektor gebruik van supergeleidende nanodrade van molibdeen silicide.

Dit is duidelik dat die ideaal van 'n kwantum stelsel of tegnologie nog nie bestaan nie en die groot ontdekkings van die toekoms lê nog voor. Tog kan ons probeer om moontlike kandidate te identifiseer vir spesifieke programme van teleportasie. Geskik verbastering hulle verskaf deurlopende grondslag en metodes kan die mees belowende toekoms voorsiening te maak vir kwantum teleportasie en die toepassing daarvan.

kort afstande

Teleportasie n kort afstand (1 m) as 'n kwantumberekening substelsel belowende halfgeleiertoestelle, die beste van wat is 'n diagram van QED. In die besonder, supergeleidende qubits transmonovye kan waarborg deterministiese en hoogs akkurate teleportasie chip. Hulle laat ook 'n direkte vloei van real-time, wat problematies op fotonische chips lyk. Daarbenewens het hulle 'n meer skaalbare argitektuur, en 'n beter integrasie van bestaande tegnologie in vergelyking met die vorige benaderings, soos vasgevang ione. Op die oomblik is die enigste nadeel van hierdie stelsels blykbaar is hul beperkte samehang tyd (<100 ms). Hierdie probleem opgelos kan word deur die gebruik van QED integrasie met halfgeleier kringe draai ensemble geheue selle (stikstof-vervang met vakatures of kristal gedoteer met seldsame aardelemente), wat 'n lang samehang tyd vir die omvang van data stoor kan voorsien. Tans is hierdie uitvoering is 'n saak vir 'n groter pogings van die wetenskaplike gemeenskap.

Plaas skakel

Ons verplaas na die stad skaal (etlike kilometers) kan ontwikkel met behulp van die optiese modes. By voldoende lae verlies, hierdie stelsels bied 'n hoë spoed en 'n bandwydte. Hulle kan verleng word vanaf lessenaar implementasies tot medium-reeks stelsels bedryf oor die lug of optiese vesel, met moontlike integrasie met 'n ensemble van kwantum geheue. Oor lang afstande, maar met 'n laer spoed kan bereik word deur 'n hibriede benadering of deur die ontwikkeling van 'n goeie herhalers gebaseer op nie-Gaussiese prosesse.

telekommunikasie

Lang-afstand kwantum teleportasie (meer as 100 km) is 'n aktiewe area, maar nog steeds ly aan 'n oop probleem. Polarisasie qubits - die beste draers vir lae-spoed teleporteer oor lang optiese vesel lyne van kommunikasie en deur die lug, maar op die oomblik die protokol is 'n kans as gevolg van onvolledige opsporing Bella.

Hoewel probabilistiese teleportasie en verstrengeling is geskik vir programme soos distillasie van verstrengeling en kwantum kriptografie, maar dit is duidelik verskil van die kommunikasie waarin die insette inligting ten volle moet bewaar.

As ons hierdie probabilistiese aard te aanvaar, die implementering van die satelliet is binne die bereik van moderne tegnologie. In bykomend tot die integrasie van die dop metodes, die grootste probleem is die hoë verliese wat veroorsaak word deur die verspreiding van die bundel. Dit kan oorkom word in 'n opset waar verstrengeling versprei vanaf die satelliet na die aardse teleskoop met 'n groot diafragma. Veronderstelling satelliet diafragma van 20 cm by 600 km hoogte en 1 m diafragma teleskoop op die grond, kan 'n mens sowat 75 dB van verlies in 'n down-kanaal wat minder as 80 dB verlies op grondvlak verwag. Implementering van die "aarde satelliet" of "metgesel satelliet" is meer kompleks.

kwantum geheue

Toekomstige gebruik van teleportasie as deel van 'n haalbare netwerk is direk verband hou met die integrasie met kwantum geheue. Laasgenoemde moet uitstekend in terme van doeltreffendheid omskakeling koppelvlak "bestraling-saak ', 'n akkuraatheid van opname en lees, tyd en stoorkapasiteit, 'n hoë spoed en stoorkapasiteit het. In die eerste plek is dit laat jou toe om herhalers gebruik vir die verbetering van kommunikasie ver buite die direkte oordrag met behulp van die foutkorreksiekodes. Die ontwikkeling van 'n goeie kwantum geheue sal toelaat om nie net verstrengeling en teleportasie netwerk kommunikasie te versprei, maar ook gekoppel aan gestoor inligting te verwerk. Uiteindelik, dit kan verander in 'n netwerk van internasionaal versprei kwantum rekenaar of 'n basis vir toekomstige quantum Internet.

belowende ontwikkelinge

Kern ensembles tradisioneel beskou aantreklik as gevolg van hul doeltreffende omskakeling van die "lig-saak" en hul millisekonde tydperke van die stoor, wat kan tot 100 ms wat nodig is om lig wêreldwyd versend. Tog is meer gevorderde ontwikkelings nou verwag op grond van halfgeleier stelsels, waar uitstekende spin ensemble kwantum geheue direk geïntegreer met die skaalbare argitektuur van kring QED. Hierdie geheue kan nie net uit te brei die samehang tyd kring QED, maar ook om optiese-mikrogolf koppelvlak vir die onderlinge van optiese telekommunikasie en chip mikrogolf fotone te voorsien.

So, toekomstige ontdekkings van wetenskaplikes in die veld van kwantum internet is geneig om te wees wat gebaseer is op die lang-afstand optiese kommunikasie, gekonjugeerde half-eenhede vir kwantum inligting verwerking.