Kvantinė teleportacija: didžiuliai fizikų atradimai

Kvantinė teleportacija yra viena iš labiausiaisvarbūs kvantinės informacijos protokolai. Remiantis fiziniu įstrigimo šaltiniu, jis yra pagrindinis įvairių informacinių užduočių elementas ir yra svarbi kvantinių technologijų dalis, kuri atlieka pagrindinį vaidmenį tolesniam kvantinės kompiuterijos, tinklų kūrimo ir komunikacijos tobulinimui.

Nuo mokslinės fantastikos iki mokslininkų atradimo

Nuo to laiko praėjo daugiau nei du dešimtmečiaiatradimas kvantinėje teleportacija, kuris yra turbūt vienas iš įdomiausių ir įdomių pasekmių "keistumo" kvantinės mechanikos. Prieš tai buvo puikių atradimų, ši idėja priklausė mokslinės fantastikos sričiai. Pirma išrastas 1931 Charles H. Fort terminas "teleportacijos", nes buvo naudojamas apibūdinti procesą, kuris organizme ir objektai yra perkeliami iš vienos vietos į kitą, tai tikrai ne įveikti atstumą tarp jų.

1993 m. Paskelbtas straipsnis su aprašymuKvantinės informacijos protokolas, vadinamas "Kvantinė teleportacija", kuriame buvo dalijamasi keliomis išvardytomis funkcijomis. Joje nežinomas fizinės sistemos būsenas matuojamas ir vėliau atkuriamas arba "surenkamas" tolimoje vietoje (pirminės sistemos fiziniai elementai išlieka perdavimo vietoje). Šis procesas reikalauja klasikinių komunikacijos priemonių ir pašalina superluminalinį bendravimą. Tam reikalingas įsipainiojimo šaltinis. Tiesą sakant, teleportavimas gali būti laikomas kvantinės informacijos protokolu, kuris labiausiai aiškiai parodo sukibimo pobūdį: be jos buvimo tokia perdavimo būsena nebūtų įmanoma pagal įstatymus, apibūdinančius kvantinę mechaniką.

Teleportavimas vaidina aktyvų vaidmenį plėtojantinformacijos mokslas. Viena vertus, tai yra konceptualus protokolas, kuris atlieka lemiamą vaidmenį formalaus kva- lentinės informacijos teorijos kūrime, kita vertus, jis yra esminis daugelio technologijų komponentas. Kvantinis kartotuvas yra pagrindinis komunikacijos elementas ilguose atstumose. Kvantinių jungiklių teleportavimas, skaičiavimai, pagrįsti matavimais ir kvantiniai tinklai - visi tai yra jo išvestinės priemonės. Jis taip pat naudojamas kaip paprastas įrankis "ekstremalios" fizikos studijoms, susijusioms su laiko kreivėmis ir juodųjų skylių išgarinimo.

Šiandien Kvantinė teleportacija patvirtintalaboratorijos visame pasaulyje, naudojančios įvairias skirtingas medžiagas ir technologijas, įskaitant fotoninius kubitus, branduolinį magnetinį rezonansą, optinius režimus, atomines grupes, spąstais atomius ir puslaidininkines sistemas. Buvo pasiekta puikių rezultatų teleportavimo diapazono srityje, bus atlikti bandymai su palydovais. Be to, bandymai pradedami skaičiuoti į sudėtingesnes sistemas.

Kubito teleportavimas

Kvantinė teleportacija pirmą kartą buvo aprašytadviejų lygių sistemos, vadinamosios kbitai. Protokole traktuojamos dvi nutolusios šalys, vadinamos Alice ir Bob, kurie dalijasi 2 kubitais, A ir B, grynai sąmonėje, taip pat vadinamos Bell poros. Į Alice įėjimą įvedamas kitas kubitas, kurio būsena ρ yra nežinoma. Tada jis atlieka bendrą kvantavimo matavimą, vadinamą "Bell" atradimu. Jis perduoda "A" ir "A" į keturias "Bell" valstybes. Dėl to dingsta Alice įvesties kubito būklė matavimo metu, o Bob B kubas tuo pačiu metu projektuojamas į P^†_kρP_k. Paskutiniame protokolo etape Alice perduoda klasikinį jos matavimo rezultatą Bobui, kuris naudoja Pauli operatorių P_k atkurti pradinį ρ.

Pradinė Alice kubito būklė yra laikomanežinoma, nes kitaip protokolas bus sumažintas iki nuotolinio matavimo. Be to, ji pati gali būti didesnės kompozicinės sistemos, bendrinamos su trečiąja šalimi, dalis (tokiu atveju sėkmingas teleportavimas reikalauja atkurti visas koreliacijos su šia trečiąja šalimi).

Tipiškas eksperimentas su kvantu teleportavimuprisiima pradinę būseną kaip gryną ir priklausančią ribotą abėcėlę, pavyzdžiui, šešių Bloch sferos polių. Esant decoherencei, rekonstruotos būsenos kokybę galima kiekybiškai išreikšti teleportacijos tikslumu F ∈ [0, 1]. Tai yra tikslumas tarp Alice ir Bob narių, apskaičiuotas pagal visus Bell'o aptikimo ir originalios abėcėlės rezultatus. Dėl nedidelių tikslumo verčių yra metodų, leidžiančių atlikti nepakankamą teleportavimą, nenaudojant sudėtingų išteklių. Pavyzdžiui, Alisa gali tiesiogiai išmatuoti pradinę būseną, išsiųsdama rezultatus Bobui, kad gautų būseną. Ši matavimų rengimo strategija vadinama "klasikine teleportacija". Jo maksimalus tikslumas F_klasė = 2/3 už savavališką įvesties būseną, kuri yra lygiavertė abipusiai nešališkų būsenų abėcėlaitei, pavyzdžiui, šešiems Bloch sferos polius.

Taigi aiškus kvantinių išteklių naudojimo rodiklis yra tikslumo vertė F> F_klasė.

Ne vienos kubietės

Kaip teigia kvantinė fizika, teleportacija nėraapsiribojant kubitais, jis gali apimti daugiamačias sistemas. Kiekvienam baigtiniam matmeniui d galima suformuluoti idealią teleportacijos schemą, naudojant labiausiai susipynusių būsenos vektorių, kuriuos galima gauti iš tam tikros maksimaliai susipynusios būsenos, pagrindą ir {U_k} vienetiniai operatoriai, tenkinantys tr (U^†_j U_k) = dδ_{j, k}. Toks protokolas gali būti pastatytas bet kokiai galutinai įvairaus dydžio vadinamojo Hilberto erdvėje. diskretiškai kintamos sistemos.

Be to, gali būti kvantinis teleportavimasir išplėsti sistemas, turinčias begalybės dimensijų Hilbert erdvę, vadinamą nuolat kintama sistema. Paprastai jie realizuojami optiniais bosoniniais režimais, kurių elektrinį lauką gali apibūdinti kvadratūriniai operatoriai.

Greitis ir neapibrėžtumo principas

Koks yra kvantinio teleportavimo greitis? Informacija perduodama greičiu, panašiu į tokios pačios klasikinės perdavimo greitį - galbūt su šviesos sparta. Teoriškai jis gali būti naudojamas taip, kad klasikinis negali, pvz., Kvantinio skaičiavimo srityje, kai duomenys yra prieinami tik gavėjui.

Ar kvantinė teleportacija pažeidžia "principą"netikrumas? Anksčiau iš teleportacijos idėja yra tikrai rimtai mokslininkų, nes buvo tikima, kad jis pažeidžia uždrausti bet kokį matavimo arba nuskaitymo procesą išgauti visą informaciją atomą arba kitą objektą principą. Pagal neapibrėžtumo principo, tikslesnis objektas yra nuskaitomi, tuo labiau ji įtakoja skenavimo procesą, kol bus pasiektas taškas, kai pradinę būseną objekto sutrikdyta iki tokio laipsnio, kad daugiau negali būti gauta pakankamai informacijos, kad sukurti replika. Tai skamba įtikinamai: jei žmogus negali iš objekto gauti informacijos, kad sukurtų idealų kopiją, tai negalima padaryti.

Kvantinė teleportacija šaudymui

Tačiau šeši mokslininkai (Charles Bennett, Gilles Brassard,Claude Crépeau Richard Jos, Ašero Peresas ir Williamas Wouters) rado būdą, kaip išspręsti šią logiką, naudojant švenčiama ir paradoksalią savybę kvantinės mechanikos žinomas kaip Einšteino-Podolsky-Rosen. Jie rado būdą, kaip nuskenuoti tam tikrą teleportuojamo objekto A informaciją ir likusį nepatvirtintą dalį panaudojus pirmiau minėtą efektą, kad būtų perkeltas į kitą objektą C, bendraujant su "A", kuris niekada nesiliauja.

Ateityje, taikydama C poveikį,priklausomai nuo nuskaitytos informacijos, galite nuskaityti C iki A. Pati jau nebėra toje valstybėje, nes ją visiškai pakeičia nuskaitymo procesas, todėl rezultatas yra teleportavimas, o ne replikacija.

Bėgti už asortimentą

• Pirmasis kvantinis teleportavimas buvo atliktas1997 m. Beveik tuo pačiu metu mokslininkai iš Insbruko universiteto ir Romos universiteto. Eksperimento metu originalus fotonas, turintis poliarizaciją ir vienas iš poros įstrigusių fotonų, pasikeitė taip, kad antrasis fotonas gavo pradinio fotono polarizaciją. Tuo pačiu metu abu fotonai buvo nutolę vienas nuo kito.
• 2012 m kitas kalbantis teleportavimas (Kinija, Mokslo ir technologijos universitetas) vyko 97 km atstumu nuo didingos ežero. Šanchajaus mokslininkų komanda, vadovaujama Juano Yino, sugebėjo sukurti sumanomą mechanizmą, leidžiantį tiksliai nukreipti spindulį.
• Tų pačių metų rugsėjo mėnKvantinė teleportacija 143 km. Austrijos mokslininkai iš mokslų Austrijos akademijos ir Vienos universiteto pagal Antono Zeilinger kryptimi sėkmingai perduoti kvantines būsenas tarp dviejų Kanarų salas La Palma ir Tenerife. Eksperimentas naudojamas dviejų optinių ryšio linijas ant atviros, kvantumnaya ir klasikiniu, dažnis uncorrelated poliarizacijos susivėlęs poros fotonų šaltinių, sverhnizkoshumnye vieno fotonų detektorius ir sankabos laikrodžio sinchronizacija.
• 2015 m Amerikos nacionalinio standartų ir technologijų instituto mokslininkai pirmą kartą perdavė informaciją daugiau kaip 100 km pluoštu. Tai buvo įmanoma dėl vieno fotonų detektorių, sukurtų institute, naudojant ultrajaus nanovamzdelius iš molibdeno silicido.

Akivaizdu, kad ideali kvantinė sistema arbatechnologijos dar nėra, ir ateityje atsiras didžiųjų atradimų. Nepaisant to, galima stengtis identifikuoti galimus kandidatus konkrečiose teleportavimo programose. Tinkama hibridizacija, jei suderinama bazė ir metodai gali būti perspektyviausia kvantavimo teleportacijos ateityje ir jos taikomosioms programoms.

Trumpi atstumai

Teleportavimas trumpais atstumais (iki 1 m) kaipQuantum Computing posistemio perspektyvių puslaidininkiniai įtaisai, geriausias iš jų yra QED schema. Visų pirma, superlaidžiuose kubitų transmonovye gali garantuoti deterministinis ir labai tikslią Teleportacija lustą. Jie taip pat leidžia tiesiogiai srautą realiu laiku, kuri, atrodo, yra probleminė fotoninių lustai. Be to, jie suteikia daugiau plečiama architektūra ir geriau integruoti esamas technologijas, palyginti su ankstesniais metodais, pavyzdžiui, įstrigę jonais. Šiuo metu vienintelis trūkumas šių sistemų matyt yra ribotas jų nuoseklumas laikas (<100 ms). Ši problema gali būti išspręsta naudojant QED integraciją su puslaidininkinių grandynų nugara ansamblio atminties ląsteles (azotas-pakeista vietas ar kristalų, legiruotų retųjų žemių elementų), kurie gali suteikti ilgą nuoseklumą laiko duomenų saugojimo dydţio. Šiuo metu mokslinė bendruomenė daug dėmesio skiria šiam įgyvendinimui.

Miesto bendravimas

Visoje teleporto komunikacijoje(keli kilometrai) gali būti sukurta naudojant optinius režimus. Su pakankamai mažais nuostoliais šios sistemos teikia didelį greitį ir pralaidumą. Jos gali būti išplėstos iš darbalaukio įdiegimų į vidutinio nuotolio sistemas, veikiančias per eterį arba pluoštą, ir gali būti integruotos į ansamblio kvantinę atmintį. Ilgesnius atstumus, tačiau esant mažesniam greičiui, galima pasiekti naudojant hibridinį metodą arba kuriant gerus kartotinius, grindžiamus ne gausu procesais.

Tarpmiestiniai ryšiai

Tolimojo nuotolio kabelinė teleportacija (daugiau nei 100km) yra aktyvus plotas, tačiau vis dar kyla atvira problema. Polarizaciniai kubai yra geriausi nešiojamieji judriojo ryšio teleportavimas per ilgas šviesolaidines ryšio linijas ir orą, tačiau šiuo metu protokolas yra tikimybinis dėl nepakankamo "Bell" aptikimo.

Nors tikimybinis teleportavimas ir įsipainiojimasyra priimtini tokioms užduotims, kaip uždraudimo distiliavimas ir kvantinė kriptografija, tačiau tai akivaizdžiai skiriasi nuo komunikacijos, kurioje turėtų būti visiškai išsaugota įvesties informacija.

Jei mes priimsime šį tikimybinį pobūdį, tuometpalydovų įdiegimai yra prieinami šiuolaikinėmis technologijomis. Be to, į stebėjimo metodus integracijos, pagrindinė problema yra didelis nuostolius, patirtus dėl plitimo sijos. Tai gali būti įveikti konfigūraciją, kur Sapīšanās yra paskirstytos iš palydovo į antžeminės teleskopu su dideliu angos. Darant prielaidą, palydovinė diafragmą 20 cm 600 km aukščio ir 1 m apertūros teleskopą ant žemės, galima tikėtis apie 75 dB nuostolių į priimdami kanalą, kuris yra mažesnis nei 80 dB nuostoliai žemės lygyje. "Žemės palydovo" ar "palydovinio palydovo" realizavimas yra sudėtingesnis.

Kvantinė atmintis

Teleportacijos naudojimas ateityje kaipSkaičiuojamojo tinklo komponentas tiesiogiai priklauso nuo jo integracijos su kvantine atmintimi. Pastarasis turėtų turėti puikią spinduliuotės terpės sąsają, kalbant apie konversijos efektyvumą, įrašymo ir nuskaitymo tikslumą, laikymo trukmę ir pralaidumą, greitį ir saugojimo pajėgumus. Visų pirma, tai leis naudoti retransliatorius, kad būtų galima išplėsti ryšį, kuris yra toli gražu ne per tiesioginį perdavimą, naudojant klaidų taisymo kodus. Geros kvantinės atminties sukūrimas leistų ne tik platinti tinklo įsiskverbimą ir teleportavimą, bet ir nuosekliai apdoroti saugomą informaciją. Galiausiai tai gali paversti tinklu tarptautiniu mastu paskirstytu kvantu kompiuteriu arba būsimojo kvantinio interneto pagrindu.

Perspektyvos pokyčiai

Tradiciškai buvo laikomasi atominių ansambliųpatrauklus dėl savo efektyvaus konversijos "šviesos dalelių" ir jų milisekundės laikotarpius saugojimo, kuris gali būti iki 100 ms reikia perduoti šviesą visame pasaulyje. Tačiau labiau pažengusios pokyčiai dabar tikimasi puslaidininkių sistemose, kur puikus nugara ansamblis kvantinė atmintis tiesiogiai integruota su keičiamo dydžio architektūros grandinės QED pagrindu. Ši atmintis gali ne tik pratęsti nuoseklumas laiko grandinės QED, bet taip pat teikti optinio mikrobangų sąsaja skirta optinių telekomunikacijų ir mikroschemų mikrobangų fotonų interkonversija.

Taigi ateityje mokslininkų atradimai Kvantinio interneto srityje, greičiausiai, bus pagrįsti optiniu ryšiu su tolimu diapazonu, kartu su puslaidininkiniais mazais, skirtais kvantinei informacijai apdoroti.

</ p>>