Kvanteteleportation: de store opdagelser af fysikere

Kvanteteleportation er en af de vigtigste protokoller i kvanteinformation. Baseret på de fysiske ressourcer i forvirring, det er det vigtigste element i de forskellige informationsopgaver og repræsenterer en vigtig del af kvanteteknologier spiller en central rolle i den videre udvikling af kvantecomputere, netværk og kommunikation.

Fra science fiction til videnskabelige opdagelser

Det har været over to årtier siden opdagelsen af kvanteteleportation, som nok er en af de mest interessante og spændende konsekvenser af "fremmedhed" af kvantemekanik. Før disse blev gjort store opdagelser, denne idé tilhørte realm af science fiction. Først opfundet i 1931 af Charles H. Fort udtrykket "teleportation" er siden blevet brugt til at beskrive den proces, hvor kroppen og objekterne overføres fra et sted til et andet, er det ikke rigtig overvinde afstanden mellem dem.

I 1993 offentliggjorde han en artikel, der beskriver protokollen af kvanteinformation, kaldet "kvanteteleportation", der delte nogle af de ovennævnte symptomer. Det ukendt tilstand af et fysisk system måles og efterfølgende reproduceres eller "re-going" i det fjerne sted (de fysiske elementer i det oprindelige system forblive på plads overførsel). Denne fremgangsmåde kræver de klassiske kommunikationsmidler og eliminerer superluminal kommunikation. Det kræver et liv i forvirring. Faktisk kan teleportation ses som en protokol af kvanteinformation, der tydeligst viser arten af den forvirring: uden tilstedeværelse af en tilstand af overdragelsen ikke ville være muligt inden for rammerne af de love, der beskriver kvantemekanikken.

Teleportation har spillet en aktiv rolle i udviklingen af videnskaben om oplysninger. På den ene side er dette en begrebsmæssig protokol, som spiller en afgørende rolle i udviklingen af en formel kvante informationsteori, og på den anden det er et grundlæggende element i mange teknologier. Den kvante repeater - et centralt element i langdistance-kommunikation. Teleportering quantum afbrydere, beregningsmetoder baseret på målinger og kvante netværk - er alle derivater deraf. Det bruges som et simpelt værktøj til studiet af "ekstrem" i fysik, om midlertidige kurver og fordampning af sorte huller.

Dag kvanteteleportation bekræftet i laboratorier verden ved hjælp af forskellige substrater og teknologier, herunder fotoniske qubits, kernemagnetisk resonans, optiske modes, grupper af atomer, de indfangede atomer og halvleder-systemer. Enestående resultater er opnået i teleportation range kommende eksperimenter med satellitter. Desuden forsøgte man at skalere op til mere komplekse systemer.

teleportation af qubits

Kvanteteleportation blev først beskrevet for to-niveau-systemer, de såkaldte qubits. Protokol overvejer to fjerntliggende parter, kaldet Alice og Bob, der deler qubit 2, A og B er i ren sammenfiltrede tilstand, også kaldet Bell par. Ved indgangen til Alice givet en anden qubit og hvis tilstand ρ er ukendt. Den udfører derefter en fælles kvantemåling, kaldet opdagelsen af Bell. Det bærer en og A i en af de fire Bell stater. Som et resultat, input tilstand qubit'en målt Alice forsvinder og Bob B qubit'en samtidigt projiceres på P ^† _k ρP _k. I det sidste trin protokol Alice transmitterer en klassisk resultat af dens måling Bob, som anvender Pauli _Pk operatør at genskabe den oprindelige ρ.

Den oprindelige tilstand af en qubit Alice anses anonyme, fordi ellers protokollen reduceres til sin fjerne måling. Derudover kan det i sig selv være en del af et større sammensat system, delt med en tredjepart (i dette tilfælde en succes teleportation alle kræver afspilnings korrelationer med denne tredjepart).

Et typisk forsøg af kvanteteleportation tager ren oprindelige tilstand, og som tilhører en begrænset alfabet, f.eks seks poler Bloch sfære. I nærvær af adskillelse kvaliteten af den rekonstruerede tilstand kan udtrykkes kvantitativt nøjagtige teleportation F ∈ [0, 1]. Denne nøjagtighed mellem stater i Alice og Bob, et gennemsnit af alle de afsløring resultater af Bell og den oprindelige alfabet. For små værdier af nøjagtigheden af de metoder findes, giver mulighed for ufuldkommen teleportation uden indviklede ressource. For eksempel kan Alice direkte måle dens oprindelige tilstand ved at sende Bob til fremstilling af den resulterende tilstand. Denne måling-uddannelsesstrategi benævnt "klassiske teleportation." Det har en maksimal nøjagtighed F _class = 2/3 for alle input tilstand, den ækvivalente alfabetisk gensidigt uvildige betingelser, såsom Bloch sfære seks poler.

Således er en klar indikation af brugen af kvante ressourcer er en præcision værdi F> F _klasse.

Ikke en eneste qubit

Ifølge kvantefysik, teleportation af qubits er ikke begrænset, kan det optage en multi-dimensional system. For hvert endeligt foranstaltning d kan formuleres ideelle ordning teleportation anvendelse grundlag maksimalt sammenfiltrede tilstandsvektorer, som kan opnås fra et givet maksimalt viklet tilstand og en basis {U _k} unitære operatorer opfylder ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Sådan protokol kan konstrueres til enhver finite-Hilbertrum r. N. diskrete variable systemer.

Desuden kan kvanteteleportation anvendelse på systemer med uendelig Hilbert rum, kaldet kontinuerligt variable systemer. Som regel bliver de realiseret ved optiske boson tilstande, det elektriske felt, som kan beskrives kvadratur operatører.

Princippet Hastighed og usikkerhed

Hvad er hastigheden på kvanteteleportation? Information overføres med en hastighed svarende til den hastighed for overførsel af det samme antal klassiske - eventuelt med lysets hastighed. Teoretisk set kan det således anvendes, hvor klassisk kan ikke - for eksempel i kvantecomputere, hvor der forligger kun data til modtageren.

Er kvanteteleportation overtræder usikkerhedsprincippet? I fortiden, er ideen om teleportation ikke rigtig taget alvorligt af lærde, fordi man mente, at det krænker princippet om forbud mod enhver måle- eller scanningen til at udtrække alle de oplysninger, atom eller et andet objekt. I overensstemmelse med princippet om usikkerhed, er det mere præcist objektet scannes, jo mere påvirkes af scanningen, indtil et punkt er nået, når den oprindelige tilstand af objektet forstyrret i en sådan grad, at flere ikke kan opnås tilstrækkelig information til at oprette en replika. Det lyder overbevisende: hvis en person ikke kan udtrække oplysninger fra objektet til at skabe perfekte kopier, kan sidstnævnte ikke skal gøres.

Kvanteteleportation for Dummies

Men de seks videnskabsmænd (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, og Uilyam Vuters) fundet en vej uden om dette logik, ved hjælp af en berømt og paradoksal træk ved kvantemekanik kendt som Einstein-Podolsky-Rosen. De fandt en måde at scanne de oplysninger teleporteret objekt A, og den resterende uprøvet del via effekten af transfer andre genstande i kontakt med en aldrig overholde.

Derefter ved anvendelse på C eksponering afhængig scannede information kan indtastes i staten A til at scanne. Og selv er ikke i samme stand som den omvendte scanningen, og dermed opnås, er teleportation, ikke replikation.

Kampen for området

• Den første kvanteteleportation fandt sted i 1997 næsten samtidig af forskere fra University of Innsbruck og Roms Universitet. Under eksperimentet en fotonkilde, der har en polarisation, og en af et par af sammenfiltrede fotoner ændret, således at den anden oprindelige polarisering foton modtaget. Således begge fotoner er adskilt fra hinanden.
• I 2012 var der en regelmæssig kvanteteleportation (Kina Universitet for Videnskab og Teknologi) gennem alpine sø i en afstand af 97 km. Et team af forskere fra Shanghai ledet af Juan Iinem formået at udvikle en suggestiv mekanisme, der tillod præcist målrettet stråle.
• I september blev en rekord kvanteteleportation på 143 km udført samme år. Østrigske forskere fra Academy of Sciences i Østrig og Wiens Universitet under ledelse af Antona Tsaylingera har med succes overført kvantetilstande mellem de to Kanariske Øer af La Palma og Tenerife. Forsøget anvendte to optiske kommunikationslinjer i det åbne, kvantumnaya og klassisk, frekvens ukorrelerede polarisering sammenfiltrede par fotoner kilder, sverhnizkoshumnye single-fotondetektorer og kobling ur synkronisering.
• I 2015 forskere fra det amerikanske Nationale Institut for Standarder og Teknologi for første gang gjort overførsel af information over en afstand på mere end 100 km af optiske fibre. Dette blev gjort muligt takket være instituttet oprettet fotondetektoren brug af superledende nanotråde af molybdensilicid.

Det er klart, at idealet om et kvante-system eller teknologi endnu ikke eksisterer, og de store opdagelser i fremtiden er endnu ikke kommet. Ikke desto mindre kan vi forsøge at identificere mulige kandidater til specifikke anvendelser af teleportation. Passende hybridisering dem forudsat konsistent grundlag og metoder kan give den mest lovende fremtid for kvanteteleportation og dens anvendelsesmuligheder.

korte afstande

Teleportation en kort afstand (1 m) som en kvanteberegning delsystem lovende halvlederkomponenter, den bedste, der er et diagram af QED. Især superledende qubits kan transmonovye garantere deterministisk og meget præcis teleportation chip. De tillader også en direkte strøm af real-tid, som synes problematisk på fotoniske chips. Desuden giver de et mere skalerbar arkitektur, og en bedre integration af eksisterende teknologier i forhold til tidligere tilgange, såsom indfangede ioner. I øjeblikket er den eneste ulempe ved disse systemer tilsyneladende er deres begrænsede sammenhæng (<100 ms). Dette problem kan løses ved hjælp af QED integration med halvlederkredsløb spinde ensemble hukommelsesceller (nitrogen-substituerede med ledige eller krystal doteret med sjældne jordarter), som kan give en lang kohærenstid for quantum af datalagring. I øjeblikket er denne implementering er et anliggende for en større indsats fra det videnskabelige samfund.

By link

Os teleportere til byens skala (flere kilometer) kunne udvikles ved hjælp af de optiske tilstande. Ved tilstrækkeligt lavt tab, disse systemer giver høj hastighed og båndbredde. De kan udvides fra desktop implementeringer til mellemdistanceraketter systemer, der opererer via luften eller optisk fiber, med mulig integration med et ensemble af kvantehukommelse. Over lange afstande, men med lavere hastighed kan opnås ved en hybrid tilgang eller ved at udvikle gode repeatere baseret på ikke-Gaussiske processer.

telekommunikation

Langdistance-kvanteteleportation (over 100 km) er et aktivt område, men lider stadig under en åben problem. Polarisering qubits - de bedste bærere til lav hastighed teleportere over lange fiberoptiske kommunikationslinjer og gennem luften, men i det øjeblik protokol er en probabilistisk følge af ufuldstændig afsløring Bella.

Selvom probabilistisk teleportation og entanglement er egnede til anvendelser, såsom destillation af sammenfiltring og kvantekryptografi, men det er klart forskellig fra den meddelelse, hvori input information må bevares fuldt ud.

Hvis vi accepterer denne probabilistiske natur, gennemførelsen af satellit er inden for rækkevidde af moderne teknologi. Ud over integrationen af sporingsmetoder, det største problem er de høje tab som følge af spredning af strålen. Dette kan overvindes i en konfiguration, hvor entanglement distribueres fra satellitten til jordbaseret teleskop med en stor åbning. Antages satellit åbning på 20 cm ved 600 km højde og 1 m åbning teleskop på jorden, kan man forvente omkring 75 dB for tab i en downlink-kanal, der er mindre end 80 dB tab på jordoverfladen. Gennemførelse af "jordens satellit" eller "følgesvend satellit" er mere komplekse.

kvantehukommelse

Fremtidig brug af teleportation som en del af en skalerbar netværk er direkte relateret til dets integration med kvantehukommelse. Sidstnævnte skal have fremragende med hensyn til effektivitet konvertering interface "stråling-sagen', en nøjagtighed på optagelse og læsning, tid og lagerkapacitet, høj hastighed og lagerkapacitet. Først og fremmest gør det muligt at bruge repeatere for at øge kommunikationen langt ud over den direkte overførsel ved hjælp af fejlkorrektionskoder. Udviklingen af en god kvantehukommelse ville tillade ikke blot at distribuere sammenfiltring og teleportation netværkskommunikation, men også forbundet til at behandle lagrede oplysninger. I sidste ende kan det blive til et netværk af internationalt distribueret kvantecomputer eller et grundlag for fremtidig kvante internettet.

lovende udvikling

Nuclear ensembler traditionelt betragtes attraktivt på grund af deres effektiv omdannelse af "light-stof", og deres millisekund perioder med opbevaring, der kan være op til 100 ms er nødvendige for at transmittere lys globalt. Dog er mere avancerede udviklinger forventes nu på grundlag af halvleder-systemer, hvor fremragende spin-ensemble kvantehukommelse direkte integreret med skalerbar arkitektur kredsløb QED. Denne hukommelse kan ikke kun forlænge kohærenstid kredsløb QED, men også at give optisk-mikrobølge-interface til interomdannelse af optiske telekommunikation og chip mikroovn fotoner.

Således fremtidige opdagelser af forskere inden for kvante internet vil sandsynligvis være baseret på lange afstande optisk kommunikation, konjugerede halvledende enheder til kvante informationsbehandling.