Kwantowa teleportacja: wielkie odkrycia fizyków

Kwantowa teleportacja jest jednym z najważniejszych protokołów informacji kwantowej. Na podstawie fizycznych zasobów w błąd, to jest głównym elementem różnych zadań informacyjnych i stanowi ważną część technologii kwantowych odgrywających kluczową rolę w dalszym rozwoju kwantowej informatyki, sieci i komunikacji.

Od science fiction do odkryć naukowych

Minęło ponad dwadzieścia lat od odkrycia teleportacji kwantowej, która jest prawdopodobnie jednym z najbardziej interesujących i ekscytujących konsekwencjami „dziwności” mechaniki kwantowej. Zanim te zostały wykonane wielkie odkrycia, idea ta należała do sfery science fiction. Pierwszy wynaleziony w 1931 roku przez Charlesa H. Fort termin „teleportacja” został już użyty do opisania procesu, w którym ciało i obiekty są przenoszone z jednego miejsca do drugiego, to naprawdę nie jest pokonanie dystansu między nimi.

W 1993 roku ukazał się artykuł opisujący protokół informacji kwantowej, zwany „teleportacja kwantowa”, który podzielił się z objawów wymienionych powyżej. To nieznany stan układu fizycznego jest mierzone i następnie powielana lub „re-going” w odległym miejscu (fizyczne elementy oryginalnego systemu pozostają w transferze miejsce). Proces ten wymaga klasycznych środków komunikacji oraz eliminuje nadświetlną komunikację. Wymaga to życie zamieszania. W rzeczywistości, teleportacja może być postrzegana jako protokół informacji kwantowej, które najbardziej wyraźnie wskazuje na charakter zamieszania: bez obecności stanu transferu nie byłoby możliwe w ramach prawa, które opisują mechaniki kwantowej.

Teleportacja odegrała aktywną rolę w rozwoju nauki o informacji. Z jednej strony, jest to koncepcyjny protokół, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju formalnej kwantowej teorii informacji, az drugiej strony jest podstawowym składnikiem wielu technologiach. Kwant repeater – kluczowym elementem komunikacji dalekobieżnym. Teleportacji przełączniki kwantowej obliczeń oparty na pomiarach i sieci kwantów – są pochodne. Stosowany jest jako proste narzędzie do badania „extreme” fizyki, na krzywych przejściowych i parowania czarnych dziur.

Obecnie kwantowe teleportacyjnym potwierdzone w laboratoriach na całym świecie za pomocą różnych podłoży i technologii, w tym fotonicznych qubitach, jądrowy rezonans magnetyczny, sposobów optycznych, grup atomów, atomów w pułapce i układów półprzewodnikowych. Znakomite rezultaty zostały osiągnięte w zakresie teleportacja najbliższych eksperymentów z satelitów. Co więcej, próby zostały wykonane w skali do bardziej złożonych systemów.

teleportacja z qubitach

Kwantowa teleportacyjnym raz pierwszy opisano dla systemów dwupoziomowych, tak zwanych qubitach. Protokół zdalnego rozważa dwie strony, zwane Alicja i Bob, którzy podzielają qubit 2, A i B są w stanie czystym uwikłany, zwany także Bell parę. Przy wejściu do Alicji podano inną qubit i którego ρ stan jest nieznany. Następnie wykonuje wspólny pomiar kwantowy zwany odkrycie Bell. Niesie A i A w jednym z czterech stanów Bell. W efekcie stan wejściowy qubitu mierzona Alice znika i Bob B qubit jednocześnie rzutowany na P ^† _k ρP _k. W ostatnim kroku Alicja przesyła protokół klasyczny wynik jego pomiaru Bob, który stosuje Pauli P operatora _k, aby przywrócić pierwotny p.

Początkowy stan z qubitu Alice jest uważany anonimowy, bo inaczej protokół jest zredukowana do zdalnego pomiaru. Ponadto może ona sama być częścią większego systemu kompozytowego, wspólną z osobą trzecią (w tym przypadku udanej teleportacji wszystko wymaga odtwarzaniem korelacji z tym osoby trzeciej).

Typowy eksperyment teleportacja kwantowa zajmuje czystego oryginalnego stanu i przynależność do ograniczonego alfabetu, na przykład, sześć biegunów sferze Blocha. W obecności jakości dekoherencja stanu rekonstruowanego można wyrazić ilościowo dokładne ∈ teleportacyjnym F [0, 1]. Taka dokładność pomiędzy stanami Alicja i Bob, uśrednione dla wszystkich wyników wykrywania Bell i oryginalnym alfabecie. Dla małych wartości dokładności metod występują, co pozwala na niedoskonałym teleportacji bez zasobu skomplikowany. Na przykład, Alicja mogą bezpośrednio mierzyć swój pierwotny stan wysyłając Bob do wytwarzania stanu końcowych. Ta strategia pomiarowa-szkolenie dalej „klasycznej teleportacji”. To ma maksymalną dokładność _klasy F = 2/3 dla każdego stanu wejściowego, odpowiednik alfabetycznej wzajemnie bezstronnych warunków, takich jak sferze Blocha sześciu Polaków.

Zatem jasne wskazanie wykorzystania zasobów kwantowej jest wartością precyzja F> F _Klasa.

Ani jeden qubit

Według fizyki kwantowej teleportacji z qubitach nie jest ograniczona, może ona zawierać system wielowymiarowego. Dla każdego skończonej środek D mogą być formułowane w schemacie idealnym teleportację pomocą bazowych maksymalnie splątanych wektorów stanów, które mogą być otrzymane z danej maksymalnie uwikłany stanu i podstawy {U _k} operatorzy jednostkowe spełniające ^{_{tR (U † J U K)}} = dδ J, K , Taki protokół może być wykonana z jakiegokolwiek skończonej Hilberta R. N. nieciągłe systemy zmiennych.

Ponadto, teleportacja kwantowa może mieć zastosowania do systemów z nieskończonej przestrzeni Hilberta, zwane systemy płynnie zmienne. Z reguły są one realizowane przez optycznych trybach Higgsa, pole elektryczne, które mogą być opisane operatorów kwadratury.

Szybkość i niepewność zasada

Jaka jest prędkość teleportacji kwantowej? Informacja jest przekazywana przy prędkości zbliżonej do prędkości transmisji takiej samej liczby classic – ewentualnie z prędkością światła. Teoretycznie może więc być stosowany, jak klasyczny nie może – na przykład w informatyce kwantowej, gdzie dostępne są dane tylko do odbiorcy.

Czy teleportacja kwantowa naruszać zasady nieoznaczoności? W przeszłości, idea teleportacji naprawdę nie jest traktowana poważnie przez uczonych, ponieważ wierzono, że narusza zasadę zakazu jakiegokolwiek procesu pomiarowego lub skanowania, aby wyodrębnić wszystkie atom informacji lub innych przedmiotów. Zgodnie z zasadą niepewności, tym bardziej precyzyjne obiekt jest skanowany, tym bardziej, że jest pod wpływem procesu skanowania, aż do osiągnięcia punktu, gdy pierwotny stan obiektu zakłócony do takiego stopnia, że bardziej nie można uzyskać wystarczająco dużo informacji, aby utworzyć replikę. Brzmi przekonująco: jeśli dana osoba nie może wydobyć informacje z obiektu stworzyć doskonałe kopie, ten ostatni nie można zrobić.

Teleportacja kwantowa dla opornych

Ale sześć naukowcy (Charles Bennett, Zhil Brassar Claude Crépeau Richard Dzhosa, Asher Peres i Uilyam Vuters) znalazł sposób wokół tej logiki, za pomocą sławnego i paradoksalną cechą mechaniki kwantowej znanych jako Einstein-Podolsky-Rosen. Oni znaleźli sposób, aby skanować z informacjami teleportował Object, a pozostała część niesprawdzone poprzez efekt przenoszenia innych przedmiotów w kontakcie z nie przestrzegać.

Następnie, stosując do ekspozycji C zależnej skanowanego informacji może być wpisana do państwowego A do skanowania. A sam nie jest w takim samym stanie jak odwróconej procesu skanowania, osiągnięte w ten sposób jest teleportacja, nie replikacji.

Walka o zakresie

• Pierwsza teleportacja kwantowa miała miejsce w 1997 roku niemal równocześnie przez naukowców z Uniwersytetu w Innsbrucku i Uniwersytetu w Rzymie. Podczas eksperymentu źródłem fotonów o polaryzacji, a jeden z pary splątanych fotonów został zmieniony tak, że druga oryginalna polaryzacja fotonu otrzymał. W ten sposób obie fotonów są oddalone od siebie.
• W 2012 roku nie było regularne teleportacja kwantowa (China University of Science and Technology), przez jeziora alpejskiego w odległości 97 km. Zespół naukowców z Szanghaju prowadzone przez Juan Iinem udało się stworzyć sugestywny mechanizm, który pozwalał wiązkę precyzyjnie ukierunkowane.
• We wrześniu, zapis teleportacja kwantowa na 143 km została przeprowadzona w tym samym roku. Austriaccy naukowcy z Akademii Nauk w Austrii i na Uniwersytecie w Wiedniu pod kierunkiem Antona Tsaylingera powodzeniem przekazywane stany kwantowe pomiędzy dwoma Wyspy Kanaryjskie La Palma i Teneryfa. W doświadczeniu użyto dwóch linii komunikacyjnych optycznych w otwartym kvantumnaya i klasycznej częstotliwości nieskorelowane polaryzacji splątane pary fotonów źródeł sverhnizkoshumnye detektorów pojedynczych fotonów i synchronizacji zegara sprzęgła.
• W 2015 roku naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii po raz pierwszy wykonany przesyłanie informacji na odległość ponad 100 km światłowodu. Było to możliwe dzięki Instytutowi utworzonej przy użyciu detektora fotonów nadprzewodzących nanodrutów z krzemku molibdenu.

Jest oczywiste, że idealna układu kwantowego lub technologii jeszcze nie istnieje i wielkie odkrycia w przyszłości jest jeszcze przed nami. Mimo to, możemy próbować zidentyfikować ewentualnych kandydatów do konkretnych zastosowań teleportacji. Nadaje hybrydyzacja je pod warunkiem, spójną podstawę i sposoby mogą dostarczyć najbardziej obiecującą przyszłość dla teleportacji kwantowej i jej zastosowań.

krótkich dystansach

Teleportation w niewielkiej odległości (1 mol), Quantum obliczenia podsystemu obiecujących urządzeń półprzewodnikowych, z których najlepsze stanowi schemat QED. W szczególności, nadprzewodzących qubitach transmonovye może zagwarantować deterministyczne i bardzo dokładny układ teleportacji. Pozwalają one również bezpośredni przepływ w czasie rzeczywistym, co wydaje się problematyczne na fotonicznych żetonów. Ponadto zapewniają one bardziej skalowalną architekturę oraz lepszą integrację istniejących technologii w porównaniu do poprzednich rozwiązań, takich jak jony uwięzionych. Obecnie jedyną wadą tych systemów podobno jest ich ograniczony czas koherencji (<100 ms). Problem ten można rozwiązać za pomocą włączenia QED z obwody półprzewodnikowe obracać ensemble komórek pamięci (azot podstawiony wolnych lub kryształu domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich), które może zapewnić dużo czasu koherencji dla Quantum przechowywania danych. Obecnie ta implementacja jest sprawą większych wysiłków społeczności naukowej.

Link Miasto

Nam teleportować do skali miasta (kilka kilometrów) mogą być opracowane z wykorzystaniem trybów optycznych. Przy dostatecznie niskich stratach, systemy te zapewniają wysoką szybkość i przepustowość. Mogą one wynosić od implementacjach systemów stacjonarnych do średniej zakres działających na powietrzu lub włókna optycznego, z możliwością integracji z zespołu pamięci kwantowej. Na długich dystansach, ale o niższej prędkości można osiągnąć poprzez hybrydowego podejścia lub poprzez rozwijanie dobrych wzmacniaczy oparte na procesach non-Gaussa.

telekomunikacja

Długodystansowe teleportacja kwantowa (ponad 100 km) jest aktywnym obszarem, ale nadal cierpi z otwartym problemem. Polaryzacja qubity – najlepsze nośniki dla niskiej prędkości tp na dużych liniach światłowodowych łączności i w powietrzu, ale w momencie, gdy protokół probabilistyczny powodu niepełnego wykrywania Bella.

Chociaż probabilistyczny teleportacja i splątanie nadają się do takich zastosowań, jak destylacji splątania i kryptografii kwantowej, ale jest wyraźnie różni się od komunikacji, w którym dane wejściowe muszą być w pełni zachowane.

Jeśli przyjmiemy ten charakter probabilistyczny, realizacja satelity są w zasięgu nowoczesnych technologii. Oprócz integracji metody śledzenia, głównym problemem są wysokie straty spowodowane przez rozkładanie belki. Problem ten rozwiązać można w konfiguracji gdzie splątanie jest rozprowadzana z satelity do teleskopu naziemnego z dużym otworem. Zakładając, że otwór satelitarny 20 cm na 600 km wysokości i apertury 1 m teleskopu na ziemi, można się spodziewać około 75 dB strat w kanale łącza w dół, że jest utrata mniej niż 80 dB dla poziomu gruntu. Realizacja „satelitarnych” lub „towarzysz satelity” są bardziej złożone.

pamięć kwantowa

Przyszłe wykorzystanie teleportacji w ramach skalowalnej sieci jest bezpośrednio związana z jego integracją z pamięci kwantowej. Ten ostatni musi być doskonała w odniesieniu do interfejsu konwersji „sprawności promieniowania materii”, z dokładnością do zapisu i odczytu, czasu i pojemności, wysokiej prędkości i pojemności pamięci. Przede wszystkim pozwala na użycie wzmacniaczy do poprawy komunikacji daleko poza bezpośredni transfer z wykorzystaniem kodów korekcji błędów. Rozwój dobrej pamięci kwantowej pozwoliłoby nie tylko na dystrybucję i komunikację sieciową uwikłanie teleportacja, ale również podłączyć do przetwarzania przechowywanych informacji. Ostatecznie może to przekształcić sieć rozproszonych międzynarodowo komputera kwantowego lub na podstawie przyszłej kwantowej Internecie.

obiecujące wydarzenia

zespoły jądrowe tradycyjnie uważane za atrakcyjne, ponieważ ich efektywnej przemiany materii „light” i ich okresów przechowywania milisekund, które może wynosić do 100 ms potrzebnych do przesyłania światła globalnie. Jednak bardziej zaawansowane zmiany są teraz oczekiwać na podstawie układów półprzewodnikowych, gdzie doskonała pamięć kwantowa spinu zespół bezpośrednio zintegrowane z skalowalnej architekturze obwodu QED. Pamięć ta może nie tylko wydłużyć czas spójność obwodu QED, ale również w celu zapewnienia interfejsu optycznego mikrofalowy do wzajemnej optycznych telekomunikacyjnych i chipowych fotonów mikrofalowych.

W ten sposób przyszłe odkrycia naukowców w dziedzinie kwantowej internecie mogą być oparte na długich dystansach komunikacji optycznej, sprzężonych urządzeń półprzewodnikowych do przetwarzania informacji kwantowej.