Kvantu teleportācija: lielie atklājumi fiziķi

Kvantu teleportācija ir viens no svarīgākajiem protokoliem kvantu informāciju. Pamatojoties uz fiziskajiem resursiem neskaidrības, tas ir galvenais dažādu informācijas uzdevumiem elements un pārstāv nozīmīgu daļu no kvantu tehnoloģijām ir svarīga loma tālākā attīstībā kvantu skaitļošanas, tīklošanas un komunikāciju.

No zinātniskās fantastikas zinātniskiem atklājumiem

Tas ir vairāk nekā divus gadu desmitus, kopš atklāšanas kvantu teleportācijas, kas ir iespējams, ir viens no interesantākajiem un aizraujošākajiem sekām "dīvainības" kvantu mehānikā. Pirms tie tika lielus atklājumus, šī ideja piederēja valstībā zinātniskās fantastikas. Pirmais izgudroja 1931. gadā, ko Charles H. Fort terminu "teleportācijas" kopš tā laika ir izmantots, lai aprakstītu procesu, ar kuru ķermeņa un objekti tiek nodoti no vienas vietas uz otru, tas nav īsti pārvarēt attālumu starp tām.

1993.gadā viņš publicēja rakstu, kas apraksta protokolu kvantu informācijas, ko sauc par "kvantu teleportācijas", kurš kopīgu daži iepriekš minētajiem simptomiem. Tas nav zināms stāvoklis fiziskas sistēmas mēra un pēc tam reproducēt vai "atkārtoti iet", kas atrodas attālā vietā (fiziskie elementi sākotnējās sistēmas paliek vietā pārskaitījumu). Šis process prasa klasisko saziņas līdzekļus un novērš superluminal komunikāciju. Tas prasa dzīvi neskaidrības. Faktiski, teleportācija var uzskatīt par protokolu kvantu informācijas, kas visskaidrāk parāda raksturu neskaidrības: bez klātbūtne stāvokļa nodošanas nebūtu iespējama ietvaros likumiem, kas raksturo kvantu mehāniku.

Teleportācijas ir bijusi aktīva loma zinātnes attīstībā informāciju. No vienas puses, tas ir konceptuāla protokols, kas ir izšķiroša nozīme, izstrādājot oficiālas kvantu informācijas teorijas, un, no otras puses tā ir būtiska sastāvdaļa daudzu tehnoloģiju. Kvantu atkārtotāju - A tālsatiksmes komunikācijas galvenais elements. Teleportēšana kvantu slēdži, aprēķināšana, pamatojoties uz mērījumiem un kvantu tīklā - ir visas tās atvasinājumi. To izmanto kā vienkāršu instrumentu pētījuma "Extreme" fizikas, par pagaidu līknes un iztvaikojot no melnajiem caurumiem.

Šodien kvantu teleportācijas apstiprināts laboratorijās visā pasaulē, izmantojot dažādus substrātu un tehnoloģijas, tostarp fotonikas qubits, kodolmagnētiskās rezonanses, optisko veidiem, grupām atomiem, notverto atomiem un pusvadītāju sistēmu. Izcilas rezultāti ir sasniegts teleportēšana diapazona turpmākajos eksperimentos ar satelītiem. Turklāt mēģinājumi tika veikti, lai palielinātu uz sarežģītākām sistēmām.

teleportēšana no qubits

Kvantu teleportācija pirmo reizi tika aprakstīta par divu līmeņu sistēmu, tā saukto qubits. Protokols, ņemot vērā divus tālvadības puses, ko sauc Alise un Bobs, kuri dalās qubit 2, A un B ir tīrā iepinas nepatikšanās stāvoklī, ko sauc arī Bell pāri. Pie ieejas Alise dota vēl qubit un kuru stāvoklis ρ nav zināms. Pēc tam tā veic kopīgu kvantu mērījumu, ko sauc par atklāt Bell. Tā veic a un A vienā no četrām Bell valstīm. Tā rezultātā, ieejas stāvokli qubit kad mēra Alise pazūd un Bobs B qubit vienlaicīgi projicējot uz P ^† _k ρP _k. Pēdējā soļu protokolu Alise pārraida klasisko rezultātu tās mērīšanas Bob, kurš attiecas Pauli P _k operatoram, lai atjaunotu sākotnējo P.

Sākotnējais stāvoklis ir qubit Alice tiek uzskatīts par anonīmu, jo pretējā gadījumā protokols tiek samazināta līdz tā attālo mērījumu. Turklāt, tā pati var būt daļa no lielāka saliktā sistēmu, dalīta ar trešās personas (šajā gadījumā veiksmīgā teleportācijas viss prasa atskaņošanas korelāciju ar šo trešo pusi).

Tipisks eksperiments kvantu teleportācijas ņem tīru sākotnējā stāvoklī un pieder pie ierobežota alfabētu, piemēram, sešas polus no Bloch jomā. Klātesot decoherence kvalitāti rekonstruētā valsts var izteikt kvantitatīvi precīzu teleportēšana F ∈ [0, 1]. Šī precizitāte starp valstu Alice un Bob, vidējā visiem atklāšanas rezultātiem Bell un oriģinālu alfabētu. Maziem vērtībām metožu pareizības pastāvēt, ļaujot nepilnīgu teleportācijas bez sarežģītu resursu. Piemēram, Alise var tieši izmērīt savu sākotnējo stāvokli, nosūtot Bob sagatavošanā rezultējošā valsts. Šis mērījums-apmācības stratēģija tekstā "klasisko teleportation." Tā maksimālais precizitāti F _klases = 2/3 jebkurai ieejas valstij, līdzvērtīgu alfabētiskā savstarpēji objektīvus apstākļus, piemēram, Bloch sfērā seši polus.

Tādējādi, skaidra norāde par izmantošanu kvantu resursu ir precīza vērtība F> F _klasē.

Ne viens qubit

Saskaņā ar kvantu fiziku, teleportācija no qubits nav ierobežota, tas var ietvert daudzdimensiju sistēmu. Attiecībā uz katru galīgo pasākumu d, var tikt izstrādāti ideālu shēmu teleportation izmantojot pamats maksimāli sapinušies valsts vektorus, kurus var iegūt no noteiktā maksimāli iepinas nepatikšanās stāvoklī un pamatu {U _k} vienotie operatori, kas atbilst ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ J, K . Šāds protokols var būt konstruēta jebkura ierobežotas-Hilberta telpa R. N. diskrēti mainīgas sistēmas.

Turklāt kvantu teleportācija var attiekties uz sistēmām ar bezgalīgu Hilberta telpā, ko sauc nepārtraukti mainīgo sistēmas. Kā likums, tie tiek realizēti ar optisko bozons veidiem, elektriskā lauka, ko var aprakstīt kvadrātiskās operatoriem.

Ātrums un nenoteiktības princips

Kas ir ātrums kvantu teleportācijas? Informācija tiek nosūtīta ātrumā līdzīgu ātrumu nosūtīšanu tādu pašu skaitu klasika - iespējams, ar gaismas ātrumu. Teorētiski, tā var tikt izmantota, kā klasiskā nevar - piemēram, kvantu skaitļošanas kur ir pieejami dati tikai saņēmējam.

Vai kvantu teleportācijas pārkāpj nenoteiktības principu? Agrāk ideja teleportācijas nav īsti ņemti nopietni, zinātniekiem, jo tika uzskatīts, ka tā pārkāpj aizliegt jebkādu mērīšanas vai skenēšanas procesu, lai iegūtu visu informāciju atoms vai citu objektu principu. Saskaņā ar nenoteiktības principu, precīzāk objekts tiek skenēti, jo vairāk tas ietekmē skenēšanas procesu, kamēr punkts ir sasniegts, ja sākotnējais stāvoklis objekta traucēta tādā mērā, ka vairāk nevar iegūt pietiekami daudz informācijas, lai izveidotu reprodukcija. Tas izklausās pārliecinoši: ja persona nevar iegūt informāciju no objekta, lai izveidotu perfektu kopijas, tā nevar izdarīt.

Quantum teleportācijas for Dummies

Bet seši zinātnieki (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peress un Uilyam Vuters) atraduši veidu, kā apiet šo loģiku, izmantojot svinēja un paradoksālu iezīme kvantu mehānikas pazīstama kā Einšteina-Padoļskis-Rosen. Viņi atrada veidu, kā skenēt informācijas teleportēts objektu A, un atlikušo nepārbaudītu daļu caur ietekmi pārsūtīšanas citu objektu, kas saskaras ar nekad ievērot.

Pēc tam, piemēro C ekspozīcijas atkarīgs skenētā informāciju var ievadīt valsts A skenēt. Un pats nav tādā pašā stāvoklī, kā apgriezto skenēšanas procesu, līdz ar to panākt, ir teleportācija, nav replikācija.

Cīņa par diapazonu

• Pirmais kvantu teleportācijas notika 1997.gadā gandrīz vienlaicīgi zinātnieki no University Insbrukas un universitātē Romā. Eksperimenta laikā fotons avotu ar polarizāciju, un viens no pāra sapītiem fotonu ir mainīts tā, ka saņemts otrais oriģināls polarizācija fotonu. Līdz ar to abas fotoni ir nobīdīti viens no otra.
• 2012. gadā regulāri kvantu teleportācija (Ķīna Universitātes Zinātnes un tehnoloģijas) caur Alpu ezeru attālumā 97 km. Komanda zinātnieku no Šanhajas Juan Iinem noveda izdevies izveidot suģestīvs mehānisms, kas ļāva precīzi mērķētu gaismu.
• Septembrī ieraksts kvantu teleportācija uz 143 km tika veikta tajā pašā gadā. Austrijas zinātnieki no Zinātņu akadēmijas Austrijas un Vīnes universitātes vadībā Antona Tsaylingera ir veiksmīgi nosūtīta kvantu valstis starp divām Kanāriju salām La Palma un Tenerife. Eksperiments izmanto divas optisko sakaru līnijas atvērtā, kvantumnaya un klasisko, biežums nekorelē polarizācijas tangled pāris fotonu avotu sverhnizkoshumnye viena fotonu detektori un sajūgu pulksteņa sinhronizāciju.
• In 2015, zinātnieki no ASV Valsts institūts Standartu un tehnoloģijas pirmo reizi veicis informācijas nodošanu pār attālumā, kas pārsniedz 100 km optisko šķiedru. Tas bija iespējams, pateicoties institūta izveidoto fotonu detektoru, izmantojot supravadošos nanovadus molibdēna silicīda.

Ir skaidrs, ka ideāls kvantu sistēmu vai tehnoloģijas vēl nav, un lielie atklājumi par nākotni, ir vēl tikai priekšā. Neskatoties uz to, mēs varam mēģināt noteikt iespējamos kandidātus īpašiem pielietojumiem teleportation. Piemērots hibridizācija viņiem sniedza pastāvīgu bāzi, un metodes, var sniegt visvairāk daudzsološu nākotni kvantu teleportācijas un tās lietojumiem.

īsi attālumi

Teleportācijas īsu attālumu (1 m), kā kvantu skaitļošana apakšsistēma daudzsološiem pusvadītāju ierīcēm, no kurām vislabāk ir diagramma QED. Jo īpaši, supravadītāju qubits transmonovye var garantēt deterministisku un ļoti precīzu teleportation mikroshēmu. Tās arī ļauj tieši plūsmu reālā laikā, kas šķiet problemātiska fotonikas mikroshēmas. Turklāt, tie nodrošina vairāk pielāgojamiem arhitektūru un labāku integrāciju esošo tehnoloģiju, salīdzinot ar iepriekšējām pieejām, piemēram, iesprostoti joniem. Pašlaik vienīgā trūkums šo sistēmu acīmredzot ir to ierobežota saskaņotība laiku (<100 ms). Šo problēmu var atrisināt, izmantojot QED integrāciju ar pusvadītāju shēmas griezties ansamblis atmiņas šūnas (slāpekļa aizvietota ar vakancēm vai kristāla leģēti ar retzemju elementiem), kas var nodrošināt ilgu saskaņotību laiku kvantu datu glabāšanai. Pašlaik šī īstenošana ir jautājums par lielākiem centieniem zinātnes aprindām.

City saite

Mums teleportēties uz pilsētas mēroga (vairāku kilometru) varētu tikt attīstīta, izmantojot optiskos režīmus. Pie pietiekami zemu zudumu, šīs sistēmas nodrošina lielu ātrumu un joslas platumu. Tos var pagarināt no darbvirsmas ieviešanas līdz vidēja diapazona sistēmām, kas darbojas pa gaisu vai optisko šķiedru, ar iespējamu integrāciju ansamblis kvantu atmiņas. Lielos attālumos, bet ar mazāku ātrumu var sasniegt ar hibrīda pieeju vai attīstīt labas atkārtotāju, pamatojoties uz ne-Gausa procesiem.

telekomunikāciju

Tālsatiksmes kvantu teleportācija (vairāk nekā 100 km) ir aktīvs joma, bet joprojām cieš no atklātā problēma. Polarizācija qubits - labākais nesēji zema ātruma teleportēties lielos optisko šķiedru sakaru līniju un pa gaisu, bet tajā brīdī, kad protokols ir varbūtības nepilnīga atklāšanas Bella.

Kaut iespējamības teleportēšana un mudžeklis ir piemēroti, piemēram, destilējot važām un kvantu kriptogrāfijā, bet tas ir acīmredzami atšķiras no paziņojumā, kurā ieejas informācija ir pilnībā saglabāta.

Ja mēs pieņemam šo varbūtējs raksturs, īstenošana satelītu ir sasniedzamības modernām tehnoloģijām. Papildus integrācijai uzskaites metodes, galvenā problēma ir augstās radītos zaudējumus izplatīšanos gaismu. To var pārvarēt ar konfigurāciju, kurā mudžeklis tiek izplatīts no satelīta uz zemes teleskopu ar lielu atveri. Pieņemot, ka satelītu apertūru un 20 cm, 600 km augstumā un 1 m diafragmas teleskopu, pamatojoties uz to, viens var sagaidīt apmēram 75 dB zaudējumu tādā lejupsaites kanālu, kas ir mazāks nekā 80 dB zudums zemes līmenī. Īstenošana "zemes satelīta" vai "pavadošā satelītu" ir daudz sarežģītāka.

kvantu atmiņa

Nākotnes izmantošana teleportācijas kā daļa no mērogojamu tīkls ir tieši saistīta ar tās integrāciju ar kvantu atmiņu. Pēdējais jābūt lieliska ziņā efektivitātes konversija interfeisa "staru jautājumā", precizitāti ierakstīšanas un lasīšanas, laika un glabāšanas jaudu, lielu ātrumu un uzglabāšanas jaudu. Vispirms tas ļauj jums izmantot atkārtotāju, lai uzlabotu saziņu tālu pārsniedz tiešās pārskaitījumu, izmantojot kļūdu korekcijas kodu. Par labu kvantu atmiņas attīstīšana ļautu ne tikai izplatīt sapīšanos un teleportācijas tīkla sakarus, bet arī saistīts ar apstrādāt uzglabāto informāciju. Galu galā, tas var pārvērsties tīkla starptautiski izplatīts kvantu datoru , vai par pamatu turpmākai kvantu internetu.

daudzsološi jaunumi

Nuclear ansambļi tradicionāli uzskata pievilcīga, jo to efektīvu pārveidi par "gaismas jautājumā" un to milisekundi uzglabāšanas periodiem, kas var būt līdz pat 100 ms, kas vajadzīgi, lai pārraidītu gaismu pasaulē. Tomēr vairāk uzlabotas attīstība tagad sagaidāms, pamatojoties uz pusvadītāju sistēmu, kur lieliski spin ansamblis kvantu atmiņa tieši integrēts ar pielāgojamiem arhitektūru ķēdes QED. Šo atmiņu var ne tikai paplašināt saskaņotība laika ķēdes QED, bet arī, lai nodrošinātu optiskās mikroviļņu saskarni interkonversijas optisko telekomunikāciju un mikroshēmu mikroviļņu fotoni.

Tādējādi nākotnes atklājumi zinātnieku jomā kvantu internetu, ir iespējams, balstās uz tālsatiksmes optisko sakaru, konjugētā pusvadītāja vienības kvantu informācijas apstrādei.