Kvantna teleportacija: velika odkritja fizikov

Kvantna teleportacija je eden najpomembnejših protokolov kvantnih informacij. Na podlagi fizičnega vira zapletanja služi kot glavni element različnih informacijskih nalog in je pomemben del kvantnih tehnologij, ki igrajo ključno vlogo pri nadaljnjem razvoju kvantnega računanja, mreženja in komuniciranja.

Od znanstvene fantastike do odkritja znanstvenikov

To je že več kot dve desetletji od odkritja kvantne teleportacijo, ki je verjetno ena izmed najbolj zanimivih in razburljivih posledice "nenavadnosti" kvantne mehanike. Pred temi velikimi odkritji je ta ideja pripadala področju znanstvene fantastike. Najprej je izumil leta 1931, ki ga Charles H. Fort izraz "teleportacijo" je bil, ker se uporablja za opis postopka, s katerim se telo in predmeti prenesejo iz enega kraja v drugega, to ni res premagati razdaljo med njima.

Leta 1993 je bil objavljen članek z opisom protokola kvantnih informacij, imenovane "kvantna teleportacija", ki je delila več zgornjih značilnosti. V njej se izmeri neznano stanje fizičnega sistema in se nato reproducira ali "ponovno sestavi" na oddaljeni lokaciji (fizični elementi izvirnega sistema ostanejo na mestu prenosa). Ta proces zahteva klasična sredstva komuniciranja in izključuje super-sumično komunikacijo. Potrebuje vir zapletov. Dejansko se teleportacija lahko obravnava kot protokol kvantnih informacij, ki najbolj jasno kaže naravo zapletanja: brez take prisotnosti takšno stanje prenosa v zakonih, ki opisujejo kvantno mehaniko, ne bi bilo mogoče.

Teleportacija igra aktivno vlogo pri razvoju informacijske znanosti. Po eni strani je to konceptualni protokol, ki ima odločilno vlogo pri razvoju formalnega kvanta teorija informacij, na drugi strani pa je temeljna sestavina številnih tehnologij. Kvantni repetitor je ključni element komunikacije na dolgih razdaljah. Teleportacija kvantnih stikal, izračuni na podlagi meritev in kvantnih omrežij - vsi so njegovi derivati. Uporablja se tudi kot preprosto orodje za preučevanje "ekstremne" fizike, ki se nanaša na časovne krivulje in izhlapevanje črne luknje.

Danes kvantna teleportacija potrdili v laboratorijih po vsem svetu s pomočjo različnih podlagah in tehnologij, vključno z fotonske qubiti, jedrsko magnetno resonanco, optičnih načinov, skupin atomov, ujetih atomov in polprevodniških sistemih. Izjemni rezultati so bili doseženi na področju teleportacije, prihajajo eksperimenti s sateliti. Poleg tega so se začeli skokati na bolj zapletene sisteme.

Teleportacija kubic

Kvantna teleportacija je bila prvič opisana za dvostopenjske sisteme, tako imenovane kubice. Protokol obravnava dve oddaljeni stranki, imenovani Alice in Bob, ki sta v dveh častih, A in B, v čisto zapletenem stanju, imenovani tudi Bell par. Na vhodu v Alice je podan še en kubit, katerega stanje rho- ni znan. Nato opravi skupno kvantno merjenje, imenovano Bellovo odkritje. Prenosi a in A v eno od štirih zveznih zvez. Posledično izgine stanje vhodnega kviza Alice med merjenjem in kocka Bob B je hkrati projicirana na P^Dagger-_krho-P_k. Na zadnji stopnji protokola Alice pošlje klasični rezultat svoje meritve Bobu, ki uporablja Paulijevega operaterja P_k obnoviti izvirnik rho-.

Začetno stanje Alice qubit se šteje za neznano, ker se v nasprotnem primeru protokol zmanjša na njegovo daljinsko merjenje. Poleg tega je lahko sam del večjega sestavljenega sistema, ki ga delijo tretje osebe (v tem primeru uspešna teleportacija zahteva reprodukcijo vseh korelacij s to tretjo osebo).

Tipičen eksperiment na kvantni teleportaciji prevzame prvotno stanje kot čisto in sodi v omejeno abecedo, na primer šest polov Blochove krogle. V prisotnosti dekoherence lahko kakovost rekonstruiranega stanja količinsko izrazimo s točnostjo teleportacije F isin- [0,1]. To je natančnost med zveznimi državami Alice in Boba, povprečja vseh rezultatov Bellove detekcije in izvirne abecede. Za majhne vrednosti natančnosti obstajajo metode, ki vam omogočajo, da opravite nepopolno teleportacijo brez uporabe zapletenega vira. Na primer, Alice lahko neposredno izmeri svoje začetno stanje tako, da pošlje rezultate v Bob, da pripravi nastalo stanje. Ta strategija merjenja priprave imenujemo »klasična teleportacija«. Ima največjo natančnost F_razred = 2/3 za poljubno vhodno stanje, kar je enakovredno abecedi medsebojno nepristranskih stanj, kot so šest polov Blochove krogle.

Tako je jasna navedba uporabe kvantnih virov točnost F> F_razred.

Ni en sam kubit

Kot kvantna fizika, teleportacija ni omejena na kubice, lahko vključuje večdimenzionalne sisteme. Za vsako končno meritev d lahko oblikujemo idealno teleportacijsko shemo z uporabo osnove najbolj zapletenih vektorjev stanja, ki jih lahko dobimo iz danega maksimalno zmedenega stanja in osnove {U_k} enotnih operaterjev, ki izpolnjujejo tr (U^Dagger-_j U_k) = ddelta-_{j, k}. Takšen protokol lahko konstruiramo za vsak končno-dimenzionalni Hilbertov prostor tako imenovanega. diskretno spremenljivih sistemov.

Poleg tega se lahko kvantna teleportacija razširi tudi na sisteme z neskončno dimenzionalnim Hilbertovim prostorom, imenovanim stalno spremenljivimi sistemi. Praviloma jih uresničujejo optični bozonski načini, katerih električno polje lahko opišejo kvadraturni operaterji.

Hitrost in načelo negotovosti

Kakšna je hitrost kvantne teleportacije? Informacije se prenašajo s hitrostjo, podobno hitrosti prenosa enake količine klasične - po možnosti z hitrost svetlobe. Teoretično se lahko uporablja na način, ki ga klasična ne more - na primer v kvantnih računih, kjer so podatki na voljo le prejemniku.

Kvantna teleportacija krši načelo negotovosti? V preteklosti se je ideja teleportacija ni res vzeti resno znanstveniki, saj so verjeli, da krši načelo prepovedi vsako merilno ali skeniranje postopku ekstrakcije vse atom informacijske ali druge predmete. V skladu z načelom negotovosti, ki je bolj natančen predmet skenirati, bolj je vplival proces pregledovanja, dokler ne dosežemo točke, ko je prvotno stanje objekta moti do te mere, da bolj ne more biti pridobljena voljo dovolj informacij za repliko. Sliši se prepričljivo: če oseba ne more izvleči podatke iz objekta za ustvarjanje popolne kopije, slednje ni mogoče storiti.

Kvantna teleportacija za lutke

Toda šest znanstvenikov (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jos, Asher Peres in William Wouters) našel pot okoli tej logiki, s pomočjo slavnega in paradoksalno lastnost kvantne mehanike, znanih kot Einstein-Podolsky-Rosen. So našli način za skeniranje informacijskega Teleportirane objekta A in preostali nepreverjeno del prek učinka prenosa drugih predmetov v stiku z nikoli ne spoštujejo.

V prihodnosti z uporabo vpliva na C, odvisno od skeniranih informacij, lahko pred skeniranje vnesete C v stanje A. Sama ni več v tem stanju, ker se s procesom skeniranja popolnoma spremeni, zato je rezultat teleportacija in ne replikacija.

Boj za razpon

• Prvo kvantno teleportacijo so leta 1997 izvedli skoraj istočasno znanstveniki z Univerze v Innsbrucku in Univerze v Rimu. Med poskusom je bil prvotni foton s polarizacijo in enim od par zapletenih fotonov spremenjen tako, da je drugi foton prejel polarizacijo prvotnega fotona. Istočasno sta bila oba fotona med seboj razdalja.
• V letu 2012 je potekala še druga kvantna teleportacija (Kitajska, Univerza za znanost in tehnologijo), ki je potekala na visokozmidnem jezeru na razdalji 97 km. Ekipa znanstvenikov iz Šanghaja, ki jo vodi Juan Yin, je uspela razviti sugestiven mehanizem, ki je omogočal točno usmerjanje žarka.
• Septembra istega leta je bila izvedena rekordna kvantna teleportacija 143 km. Avstrijski znanstveniki iz Akademije znanosti v Avstriji in na Univerzi na Dunaju pod vodstvom Antona Zeilinger uspešno prenašajo kvantna stanja med obema Kanarskih otokih La Palma in Tenerife. Poskus uporablja dve optične komunikacijske linije v odprtem, kvantumnaya in klasično, frekvenca nepovezano polarizacija zapleten par virov fotonov, sverhnizkoshumnye detektorje enim fotona in nadaljevankah sklopke sinhronizacijo ure.
• Leta 2015 so raziskovalci iz ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo prvič prenašali informacije na razdalji več kot 100 km vlaken. To so omogočili detektorji z enim fotonom, ki so bili ustvarjeni na inštitutu, s superprevodnimi nanožicami iz silicijevega molibdena.

Jasno je, da idealni kvantni sistem ali tehnologija še ne obstaja in da so velika odkritja prihodnosti v prihodnosti. Kljub temu lahko poskusite identificirati možne kandidate v posebnih aplikacijah teleportacije. Primerna hibridizacija, pod pogojem, da združljiva baza in metode lahko zagotovijo najbolj obetajočo prihodnost za kvantno teleportacijo in njene aplikacije.

Kratke razdalje

Teleportacija za kratke razdalje (do 1 m) kot podsistem kvantnega računanja obeta na polprevodniških napravah, od katerih je najboljša shema QED. Zlasti superprevodni transmunski kubi lahko zagotovijo deterministično in visoko natančno teleportacijo na čipu. Omogočajo tudi neposredno krmljenje v realnem času, kar je problematično na fotonskih čipih. Poleg tega zagotavljajo bolj prilagodljivo arhitekturo in boljšo integracijo obstoječih tehnologij v primerjavi s prejšnjimi pristopi, kot so zajeti ioni. Zdi se, da je edini pomanjkljivosti teh sistemov njihov omejen čas koherence (<100 μs). Ta problem se lahko reši s pomočjo povezovanja QED s polprevodniških vezij spin Zasedba pomnilniških celic (dušik substituiran z mest ali kristal dopiran z redkimi zemeljskimi elementi), ki lahko zagotovijo dolgo časa skladnosti za celoten shranjevanja podatkov. Trenutno je ta izvedba predmet veliko prizadevanj znanstvene skupnosti.

Mestna komunikacija

Komunikacija teleporta na mestni lestvici (več kilometrov) se lahko razvije z optičnimi načini. Z dovolj majhnimi izgubami ti sistemi zagotavljajo visoke hitrosti in pasovno širino. Razširijo jih lahko iz namiznih izvedb v sistem srednjega dosega, ki delujejo prek etra ali vlakna, z morebitno integracijo s kvantnim pomnilnikom ansambla. Daljše razdalje, vendar z manjšimi hitrostmi, je mogoče doseči s hibridnim pristopom ali z razvojem dobrih repetitorjev, ki temeljijo na ne-Gaussovih procesih.

Komunikacija na dolge razdalje

Kvantna teleportacija na dolge razdalje (več kot 100 km) je aktivno področje, vendar še vedno trpi zaradi odprtega problema. Polarizacija qubiti - najboljši nosilci za nizke hitrosti teleport na dolge optičnih potmi in skozi zrak, vendar v tem trenutku je protokol verjetnostna zaradi nepopolne detekcijo Bella.

Čeprav so verjetnostno teleportacija in zapletanje primeren za aplikacije, kot so destilacija zapletanja in kvantne kriptografije, vendar je jasno razlikuje od sporočila, v katerem mora biti vhodni podatki v celoti ohranjeno.

Če upoštevamo ta verjetnostni značaj, so satelitske implementacije v dosegu sodobnih tehnologij. Poleg integracije metod sledenja je glavni problem velike izgube, ki jih povzroča širjenje žarka. To je mogoče premagati v konfiguraciji, kjer se zapletenost porazdeli s satelitov na zemeljske teleskope z veliko odprtino. Ob predpostavki, satelitska odprtino 20 cm pri 600 višine km in 1 m odprtino teleskop na terenu, lahko pričakujemo približno 75 dB izgube v navzdolnje kanalu, ki je manjša od 80 dB izgube na tleh. Izvedbe "zemeljskega satelitskega" ali "satelitskega satelita" so bolj zapletene.

Kvantni spomin

Prihodnja uporaba teleportacije kot integralnega dela razširljivega omrežja je neposredno odvisna od njene integracije s kvantnim pomnilnikom. Slednji morajo imeti odličen vmesnik v zvezi s sevanjem, kar zadeva učinkovitost pretvorbe, natančnost zapisovanja in branja, čas shranjevanja in pasovno širino, hitrost in zmogljivost shranjevanja. Prvič, to bo omogočilo uporabo repetitorjev za razširitev komunikacije, ki presega neposredni prenos z uporabo kod za popravljanje napak. Razvoj dobrega kvantnega pomnilnika bi omogočil ne samo distribucijo komunikacijskega omrežja in teleportacije, ampak tudi skladno obdelavo shranjenih podatkov. Končno lahko to omrežje spremeni v svetovno kvantni računalnik ali osnove za prihodnost kvantnega interneta.

Razvoj perspektive

Jedrske kompleti tradicionalno velja zanimiva zaradi svoje učinkovite pretvorbe "lahkih snovi" in njihovih milisekundo obdobja skladiščenja, ki je lahko do 100 ms, ki so potrebni za prenos svetlobe po vsem svetu. Kljub temu pa se danes pričakuje bolj obetaven razvoj na osnovi polprevodniških sistemov, kjer se odličen spin-antenski kvantni pomnilnik neposredno integrira z razširljivo arhitekturo sheme QED. Ta spomin ne le razširiti kroga QED časovno usklajenost, ampak tudi zagotoviti optično-mikrovalovna vmesnik za medsebojnimi optičnih telekomunikacijskih in čip mikrovalovne fotonov.

Tako bodo prihodnja odkritja znanstvenikov na področju kvantnega interneta verjetno temeljila na optični povezavi na dolge razdalje, skupaj z polprevodniškimi vozlišči za obdelavo kvantnih informacij.