Teleportarea cuantica: marile descoperiri ale fizicienilor

teleportarea cuantica este una dintre cele mai importante protocoale în domeniul informațiilor cuantice. Pe baza resurselor fizice de confuzie, acesta este elementul principal al diferitelor sarcini de informare și reprezintă o parte importantă a tehnologiilor cuantice care joacă un rol cheie în dezvoltarea în continuare a calculatoarelor cuantice, crearea de rețele și comunicații.

De la science fiction la descoperiri științifice

Acesta a fost de peste două decenii de la descoperirea teleportarii cuantice, care este, probabil, una dintre consecințele cele mai interesante și incitante de „ciudatenia“ a mecanicii cuantice. Înainte de acestea au fost făcute descoperiri mari, această idee a aparținut de domeniul science-fiction. inventat în 1931 de către Charles H. Fort Termenul „teleportarea“, deoarece a fost folosit pentru a descrie procesul prin care organismul și obiectele sunt transferate de la un loc la altul, nu este depășită într-adevăr distanța dintre ele.

În 1993 a publicat un articol care descrie protocolul de informații cuantice, numit „teleportarea cuantică“, care a împărtășit unele dintre simptomele enumerate mai sus. Acesta se cunoaște starea unui sistem fizic este măsurat și apoi reprodus, sau „re-merge“ în site-ul de la distanță (elementele fizice ale sistemului original rămân în loc de transfer). Acest proces necesită mijloacele clasice de comunicare și elimină comunicarea superluminal. Este nevoie de o viață de confuzie. De fapt, teleportarea poate fi privit ca un protocol de informații cuantice care demonstrează cel mai clar natura confuzie: fără prezența unei stări de transfer nu ar fi posibilă în cadrul legilor care descriu mecanica cuantică.

Teleportarea a jucat un rol activ în dezvoltarea științei informației. Pe de o parte, acest lucru este un protocol conceptual, care joacă un rol crucial în dezvoltarea unei cuantice formale teoria informației, iar pe de altă parte, este o componentă fundamentală a multor tehnologii. Cuantic Repetorul - un element cheie de comunicare pe distanțe lungi. Teleportare switch-uri cuantice, de calcul pe baza măsurătorilor și a rețelei cuantice - sunt toate derivate din acestea. Este folosit ca un simplu instrument pentru studiul „extreme“ ale fizicii, pe curbe temporare și evaporarea găurilor negre.

Astăzi teleportarea cuantică a confirmat în laboratoarele din întreaga lume, folosind o varietate de substraturi și tehnologii, inclusiv qubitii fotonice, rezonanță magnetică nucleară, moduri optice, grupuri de atomi, atomii și sisteme semiconductoare prins în capcană. Rezultate remarcabile au fost realizate în intervalul teleportarea experimente vin cu sateliți. Mai mult decât atât, au fost făcute încercări de a scala de pana la sisteme mai complexe.

teleportarea de qubiți

Quantum teleportarea a fost descrisă pentru prima dată pentru sistemele cu două niveluri, așa-numitele qubiti. Protocolul având în vedere două părți la distanță, numite Alice și Bob, care împărtășesc qubit 2, A și B sunt în stare pură încurcate, de asemenea, numit Bell pereche. La intrarea în Alice dat un alt qubit și a căror ρ condiție este necunoscută. Se efectuează apoi o măsurătoare cuantică comună, numită descoperirea Bell. Ea poartă o și A într-una din cele patru state Bell. Ca urmare, starea de intrare a qubitului atunci când este măsurată Alice dispare și Bob B qubit proiectate simultan pe P ^† _k ρP _k. In ultimul pas protocolul Alice transmite un rezultat clasic de măsurare sale Bob, care se aplică operatorul _k Pauli P pentru a restabili original , care p.

Starea inițială a unui qubit Alice este considerat anonim, deoarece în caz contrar protocolul este redus la măsurarea acestuia la distanță. În plus, aceasta poate fi parte dintr-un sistem de compozit mai larg, în comun cu o terță parte în sine (în acest caz, teleportarea cu succes toate necesită corelații de redare cu acest terț).

Un experiment tipic de teleportare cuantică ia starea inițială pură și aparținând unui alfabet restricționat, de exemplu, șase poli ai sferei Bloch. În prezența calității decoerenta a statului reconstruit poate fi exprimată cantitativ exacte teleportarii F ∈ [0, 1]. Această acuratețe între statele din Alice si Bob, în medie pe toate rezultatele de detectare a clopotului și alfabetul original. Pentru valori mici ale exactității metodelor există, pentru a permite teleportarea imperfect, fără resurse complicate. De exemplu, Alice poate măsura în mod direct starea inițială prin trimiterea Bob pentru pregătirea statului rezultante. Această strategie de măsurare-formare denumit în continuare „teleportarea clasic.“ Are o precizie maximă de F _class = 2/3 pentru orice stat de intrare, alfabetic echivalente condiții reciproc imparțiale , cum ar fi sfera Bloch șase stâlpi.

Astfel, o indicație clară a utilizării resurselor cuantice este o valoare de precizie F> _{clasa F.}

Nu este un singur qubit

Conform fizicii cuantice, teleportarea de qubiți nu este limitată, ea poate include un sistem multi-dimensional. Pentru fiecare măsură d finită poate fi formulată schemă ideală teleportarii folosind baze vectori Maximum încâlcite stat care pot fi obținute dintr - o stare maximal încâlcit dat și o bază {U _k} operatori unitare care satisfac ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Un astfel de protocol poate fi construit pentru orice finita Hilbert spațiu r. N. sisteme variabile discrete.

Mai mult decât atât, teleportarea cuantică se poate aplica la sisteme cu spațiu Hilbert infinit, denumite sisteme continuu-variabile. De regulă, ele sunt realizate prin moduri de bozonici optice, câmpul electric, care poate fi descris operatorii cuadratură.

Principiul de viteză și incertitudine

Care este viteza de teleportarii cuantice? Informațiile sunt transmise la o viteză similară cu viteza de transmitere a aceluiași număr de clasic - eventual cu viteza luminii. Teoretic, aceasta poate fi astfel utilizat, cum clasice nu se poate - de exemplu, în calcul cuantic, în cazul în care datele sunt disponibile numai la destinatar.

Are teleportarea cuantică încalcă principiul incertitudinii? În trecut, ideea de teleportare nu este într-adevăr luată în serios de către oamenii de știință, pentru că se credea că încalcă principiul interzicerii oricărui proces de măsurare sau de scanare pentru a extrage toate informațiile atomul sau alt obiect. În conformitate cu principiul de incertitudine, mai precis obiectul este scanat, cu atât mai mult este influențată de procesul de scanare până când se ajunge la un punct în cazul în care starea originală a obiectului deranjat într-o asemenea măsură, încât mai mult nu se poate obține informații suficiente pentru a crea o replica. Sună convingător: în cazul în care o persoană nu poate extrage informații de la obiect pentru a crea copii perfecte, acestea din urmă nu se poate face.

Quantum Teleportare pentru Dummies

Dar cei șase oameni de știință (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, și Uilyam Vuters) a găsit o cale în jurul valorii de această logică, folosind o caracteristică celebru și paradoxală a mecanicii cuantice cunoscute sub numele de Einstein-EPR. Ei au găsit o modalitate de a scana informații teleported obiectul A, iar porțiunea rămasă netestat, prin efectul de transfer a altor obiecte în contact cu A nu respecta.

Ulterior, prin aplicarea la C expunerea informațiilor scanate dependente pot fi introduse în starea A de scanare. Și el însuși nu este în aceeași stare ca și procesul de scanare inversat, astfel realizat este teleportarea, nu replicare.

Lupta pentru gama

• Prima teleportarea cuantică a avut loc în 1997, aproape simultan, de către oamenii de știință de la Universitatea din Innsbruck și la Universitatea din Roma. In timpul experimentului o sursă de fotoni având o polarizare, și unul dintr-o pereche de fotoni încurcate sa schimbat, astfel încât al doilea foton de polarizare inițială a primit. Astfel, ambii fotoni sunt distanțate unul față de celălalt.
• În 2012, a existat o teleportarea cuantica regulat (China Universitatea de Știință și Tehnologie), prin lac alpin, la o distanta de 97 km. O echipă de oameni de știință de la Shanghai, condusa de Juan Iinem a reușit să dezvolte un mecanism de sugestiv care a permis fascicul de precis orientate.
• În septembrie, un teleportarea cuantica record de la 143 km a fost realizat în același an. oamenii de știință austrieci de la Academia de Științe a Austriei și Universitatea din Viena, sub conducerea Antona Tsaylingera a transmis cu succes stări cuantice între cele două Insulele Canare La Palma și Tenerife. Experimentul a folosit două linii de comunicații optice în deschise, kvantumnaya și, frecvența de polarizare necorelat încâlcită pereche clasica de surse fotoni, sverhnizkoshumnye detectoare de un singur foton și ceas de sincronizare a ambreiajului.
• În 2015, cercetătorii de la Institutul US National de Standarde și Tehnologie pentru prima dată a făcut transferul de informații pe o distanță de mai mult de 100 de km de fibră optică. Acest lucru a fost posibil datorită detectorului de fotoni creat Institutul folosind nanofire supraconductoare de siliciură de molibden.

Este clar că idealul unui sistem cuantic sau tehnologie nu există încă și marile descoperiri ale viitorului este încă să vină. Cu toate acestea, putem încerca să identifice posibili candidați pentru aplicații specifice de teleportare. Hibridizarea adecvate le-au oferit în mod consecvent și metode pot oferi viitorul cel mai promițător pentru teleportarea cuantică și aplicațiile sale.

distanțe scurte

Teleportarea o scurtă distanță (1 m), ca un subsistem de calcul cuantic dispozitive semiconductoare promițătoare, dintre care cel mai bine este o diagramă de QED. În special, qubitii supraconductoare transmonovye poate garanta deterministe și extrem de precise cip teleportarea. Acestea permit, de asemenea, un flux direct timp real, care pare problematică pe cipuri fotonice. În plus, acestea oferă o arhitectură mai scalabilă, și o mai bună integrare a tehnologiilor existente în comparație cu abordările anterioare, cum ar fi ionii capturați. In prezent, singurul dezavantaj al acestor sisteme aparent este timpul lor de coerență limitată (<100 ms). Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea de integrare QED cu circuite semiconductoare de spin celule de memorie (ansamblu de azot substituit cu posturi vacante sau cristale dopate cu elemente de pământuri rare), care pot oferi o perioadă lungă de coerență pentru cuantumul de stocare a datelor. În prezent, această punere în aplicare este o chestiune de eforturi mai mari ale comunității științifice.

link-ul orașului

Ne teleporta la scara orașului (câțiva kilometri) ar putea fi dezvoltate folosind modurile optice. La o pierdere suficient de scăzută, aceste sisteme oferă de mare viteză și de lățime de bandă. Acestea pot fi extinse de la implementări desktop la sisteme cu rază medie de operare prin aer sau fibră optică, cu posibila integrare cu un ansamblu de memorie cuantice. Pe distanțe lungi, dar cu o viteză mai mică poate fi realizată printr-o abordare hibridă sau prin dezvoltarea unor repetoare bune bazate pe procese non-Gauss.

telecomunicație

Pe distanțe lungi teleportarea cuantică (peste 100 km) este o zonă activă, dar încă suferă de o problemă deschisă. qubiți Polarizarea - cei mai buni transportatori pentru teleportul cu viteză redusă peste liniile de fibra optica lungi de comunicare și prin aer, dar în momentul în care protocolul este probabilistic datorita detectare incomplete Bella.

Deși teleportarea probabilistică și entanglement sunt potrivite pentru aplicații cum ar fi distilarea entanglement și criptografiei cuantice, dar este clar diferită de comunicare în care informațiile de intrare trebuie păstrată în întregime.

Dacă acceptăm această natură probabilistică, punerea în aplicare a satelitului se află la îndemâna tehnologiilor moderne. În plus față de integrarea metodelor de urmărire, problema principală sunt pierderile mari cauzate de răspândirea fasciculului. Acest lucru poate fi depășită într-o configurație în care entanglement este distribuit de satelitul spre telescop terestru, cu o deschidere mare. Presupunând deschidere prin satelit de 20 cm la 600 km inaltime si 1 m telescop deschidere pe sol, se poate aștepta la aproximativ 75 dB de pierdere într-un canal pe legătură în jos care este mai mică de 80 dB pierdere la nivelul solului. Punerea în aplicare a „satelitul pământului“ sau „satelit de companie“ sunt mai complexe.

memorie cuantică

Utilizarea ulterioară a teleportare, ca parte a unei rețele scalabile este direct legată de integrarea sa cu memorie cuantică. Acestea din urmă trebuie să aibă superbă în ceea ce privește eficiența de interfață de conversie „radiație-materie“, o precizie de înregistrare și citire, timp și capacitate de stocare, de mare viteză și capacitate de stocare. În primul rând vă permite să utilizați repetoare pentru îmbunătățirea comunicării cu mult dincolo de transferul direct, folosind codurile de corectare a erorilor. Dezvoltarea unei memorii bune cuantice ar permite nu numai să distribuie rețea de sârmă ghimpată și de comunicare în rețea teleportarea, dar, de asemenea, conectat la procesarea informațiilor stocate. În cele din urmă, acest lucru ar putea transforma într - o rețea de distribuit la nivel internațional calculator cuantic sau o bază pentru viitorul Internet cuantice.

evoluții promițătoare

ansambluri nucleare considerate în mod tradițional atractive datorită transformării lor eficiente a „materiei-lumină“ și perioadele lor milisecunda de stocare, care poate fi de până la 100 ms necesare pentru a transmite lumina la nivel global. Cu toate acestea, evoluțiile mai avansate sunt acum de așteptat pe baza sistemelor de semiconductoare, în cazul în care de spin excelent ansamblu de memorie cuantice sunt integrate direct cu arhitectura scalabilă a circuitului QED. Această memorie nu se poate prelungi numai circuitul de timp coerență QED, dar, de asemenea, pentru a oferi interfață optică cu microunde pentru interconversia de telecomunicații și cip optice fotoni cu microunde.

Astfel, descoperirile viitoare de oameni de știință în domeniul de internet cuantic sunt susceptibile să se bazeze pe comunicare optice pe distanțe lungi, unități de semiconducting conjugate pentru prelucrarea informației cuantice.