Quantum teleporte: de store oppdagelsene fysikere

Quantum teleportering er en av de viktigste protokollene i quantum informasjon. Basert på de fysiske ressursene i forvirring, er det hovedelementet av de forskjellige informasjonsoppgaver og utgjør en viktig del av quantum teknologier som spiller en nøkkelrolle i den videre utviklingen av kvantum databehandling, nettverk og kommunikasjon.

Fra science fiction til vitenskapelige oppdagelser

Det har vært over to tiår siden oppdagelsen av kvante teleportering, som sannsynligvis er en av de mest interessante og spennende konsekvensene av "fremmedhet" av kvantemekanikken. Før disse ble gjort store funn, denne ideen tilhørte riket av science fiction. Først oppfunnet i 1931 av Charles H. Fort begrepet "teleportering" har siden blitt brukt for å beskrive prosessen der kroppen og objekter overføres fra ett sted til et annet, er det egentlig ikke overvinne avstanden mellom dem.

I 1993 publiserte han en artikkel som beskriver protokollen for quantum informasjon, kalt "quantum teleportering", som delte noen av symptomene nevnt ovenfor. Den ukjent tilstand av et fysisk system blir målt, og deretter reproduseres, eller "re-gå" i det eksterne stedet (de fysiske elementer av den opprinnelige systemet forbli på plass overføring). Denne prosessen krever de klassiske former for kommunikasjon og eliminerer superluminal kommunikasjon. Det krever et liv i forvirring. Faktisk kan teleporte bli sett på som en protokoll av quantum informasjon som tydeligst viser naturen av forvirring: uten tilstedeværelse av en tilstand av overføringen ikke ville være mulig innenfor rammen av de lover som beskriver kvantemekanikk.

Teleporte har spilt en aktiv rolle i utviklingen av vitenskapen om informasjon. På den ene siden er dette en konseptuell protokollen, som spiller en avgjørende rolle i utviklingen av et formelt Quantum informasjonsteori, og på den andre er det en fundamental del av mange teknologier. Kvante repeater - et nøkkelelement i langdistanse-kommunikasjon. Teleporte kvante-brytere, beregning på grunnlag av målinger og kvante nettverk - er alle derivater derav. Den brukes som et enkelt verktøy for å studere "ekstrem" i fysikk, på midlertidige kurver og fordampning av svarte hull.

Dag quantum teleporte bekreftet i laboratorier over hele verden ved hjelp av en rekke ulike substrater, og teknologier, inkludert fotoniske qubits, nukleær magnetisk resonans, optiske modi, grupper av atomer, det innestengte atomer og halvledersystemer. Fremragende resultater er oppnådd i teleporte rekkevidde kommende eksperimenter med satellitter. Videre forsøk ble gjort for å skalere opp til mer komplekse systemer.

teleportering av qubits

Quantum teleporte ble først beskrevet for de to-nivå systemer, de såkalte qubits. Protokoll vurderer to eksterne parter, heter Alice og Bob, som deler qubit 2, A og B er i ren viklet tilstand, også kalt Bell par. Ved inngangen til Alice gitt en annen qubit og hvis tilstand ρ er ukjent. Den utfører deretter en felles kvante måling, kalt oppdagelsen av Bell. Det bærer en og en i en av de fire Bell stater. Som et resultat av inngangs tilstand qubit målt Alice og Bob forsvinner B qubit samtidig projiseres på P ^† _k ρP _k. I det siste trinnet protokollen Alice sender et klassisk resultat av dens måle Bob, som gjelder Pauli P _k operatør for å gjenopprette den opprinnelige ρ.

Den innledende tilstand av et qubit Alice anses anonym, fordi ellers protokollen er redusert til sin fjernmåling. I tillegg, det kan i seg selv være en del av et større sammensatt system, delt med en tredje part (i dette tilfellet lykkes teleporte alle krever avspillings korrelasjoner med denne tredje part).

Et typisk forsøk av quantum teleportation tar ren opprinnelige tilstand og som hører til en begrenset alfabet, for eksempel seks poler av Bloch sfære. I nærvær av decoherence kvalitet av den rekonstruerte tilstand kan uttrykkes kvantitativt nøyaktig teleporte F ∈ [0, 1]. Denne nøyaktigheten mellom statene Alice og Bob, midlet over alle deteksjons resultatene av Bell og den opprinnelige alfabetet. For små verdier av nøyaktigheten av metoder eksisterer, slik at for ufullkommen teleporte uten innviklet ressurs. For eksempel kan Alice direkte måle sin opprinnelige tilstand ved å sende Bob for fremstilling av den resulterende tilstand. Denne målingen-trening strategi referert til som "klassisk teleportering." Den har en maksimal nøyaktighet av F _klasse = 2/3 inndata tilstand, tilsvarende alfabetisk gjensidig objektive tilstander slik som den Bloch sfære seks poler.

Således er en klar indikasjon på bruken av kvante-ressurser er en presisjonsverdi F> F _klasse.

Ikke en eneste qubit

Ifølge kvantefysikken, teleportering av qubits er ikke begrenset, kan den inneholde en multi-dimensjonalt system. For hver begrenset tiltak d kan utformes ideelt skjema teleporte ved hjelp basis maksimalt sammenfiltrede tilstandsvektorer som kan oppnås fra et gitt maksimalt sammenfiltret tilstand og en basis {U _k} enhetlige operatorer som tilfredsstiller ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . En slik protokoll kan konstrueres for en hvilken som helst endelig-Hilbert plass r. N. diskrete variable systemer.

Videre kan quantum teleporte Bruk av systemer med uendelig Hilbert plass, kalt kontinuerlig variabel systemer. Som regel blir de realisert ved hjelp av optiske boson-modi, det elektriske felt som kan beskrives i kvadratur operatører.

Hastighet og usikkerhet prinsippet

Hva er hastigheten på kvante teleportering? Informasjon overføres med en hastighet lik hastigheten for overføring av samme antall classic - muligens med lysets hastighet. Teoretisk kan det således benyttes, hvor klassiske ikke kan - for eksempel i kvantum databehandling, hvor de data som er tilgjengelige bare for mottakeren.

Har quantum teleporte krenke den Usikkerhet prinsipp? I det siste, er ideen om teleporte egentlig ikke tatt på alvor av forskere, fordi det ble antatt at det bryter med prinsippet om å forby alle måle eller skanneprosessen å trekke ut all informasjon atom eller et annet objekt. I samsvar med prinsippet med usikkerhet, blir den mer presise gjenstanden avsøkes, jo mer den påvirkes av skanningsprosessen inntil et punkt er nådd når den opprinnelige tilstanden til objektet forstyrret i en slik grad at mer ikke kan oppnås tilstrekkelig informasjon til å lage en kopi. Det høres overbevisende: Hvis en person ikke kan trekke ut informasjon fra objektet for å lage perfekte kopier, kan sistnevnte ikke gjøres.

Quantum teleportering for Dummies

Men de seks forskerne (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, og Uilyam Vuters) har funnet en vei rundt dette logikk, ved hjelp av en feiret og paradoksale trekk ved kvantemekanikken kjent som Einstein-Podolsky-Rosen. De fant en måte å skanne den informasjonen teleportert objekt A, og de resterende utestet del via effekten av overførings andre gjenstander i kontakt med en aldri holde.

Deretter, ved å påføre på C eksponering avhengig skannede informasjonen kan bli tatt inn i tilstand A til å skanne. Og selv ikke er i samme stand som den reverseres skanneprosessen, og dermed oppnådd er teleportering, ikke replikering.

Kampen for området

• Den første quantum teleportering fant sted i 1997 nesten samtidig av forskere fra Universitetet i Innsbruck og Universitetet i Roma. Under eksperimentet en fotonkilde som har en polarisasjon, og en av et par av sammenfiltrede fotoner blitt endret slik at det andre opprinnelige polarisasjon foton mottatt. Således begge fotoner er adskilt fra hverandre.
• I 2012 var det en vanlig kvante teleporte (China University of Science and Technology) gjennom fjellinnsjø i en avstand på 97 km. Et team av forskere fra Shanghai ledet av Juan Iinem klart å utvikle en tankevekkende mekanisme som gjorde at nettopp målrettet stråle.
• I september ble en rekord kvante teleporte på 143 km gjennomført samme år. Østerrikske forskere fra Academy of Sciences i Østerrike og Universitetet i Wien i regi av Antona Tsaylingera har fått overført kvantetilstander mellom de to Kanariøyene La Palma og Tenerife. Forsøket benyttet to optiske kommunikasjonslinjer i den åpne, kvantumnaya og klassisk, frekvens ukorrelerte polarisasjon sammenfiltrede par fotoner kilder, sverhnizkoshumnye enkeltfotondetektorer og clutch klokkesynkronisering.
• I 2015 forskere fra det amerikanske National Institute of Standards and Technology for første gang gjort overføring av informasjon over en avstand på mer enn 100 km av optisk fiber. Dette ble gjort mulig takket være den instituttet laget fotondetektor ved bruk av superledende nanotråder av molybdensilicid.

Det er klart at det ideelle for et kvantesprang system eller teknologi ennå ikke eksisterer, og de store oppdagelsene av fremtiden er ennå ikke kommet. Likevel kan vi prøve å identifisere mulige kandidater for spesifikke anvendelser av teleportering. Egnet hybridisering dem gitt konsistent grunnlag og metoder kan gi den mest lovende fremtid for quantum teleportering og dens applikasjoner.

korte avstander

Teleporte en kort avstand (1 m) som en kvante beregning subsystem lovende halvlederkomponenter, den beste av disse er et diagram av QED. Særlig superledende qubits kan transmonovye garantere deterministisk og svært nøyaktig teleporte chip. De lar også en direkte flyt av sanntids, som synes problematisk på fotoniske chips. I tillegg gir de en mer skalerbar arkitektur, og bedre integrering av eksisterende teknologier sammenlignet med tidligere tilnærminger, som fanget ioner. For tiden er den eneste ulempe ved disse systemene tilsynelatende er deres begrensede koherenstiden (<100 ms). Dette problemet kan løses ved bruk av QED integrasjon med halvlederkretser spinne ensembleminneceller (nitrogen-substituert med stillinger eller krystall som er dopet med sjeldne jordartselementer), som kan gi en lang koherenstiden for quantum av datalagring. Foreløpig er denne implementeringen en sak for større innsats av det vitenskapelige samfunn.

by lenke

Oss teleportere til byen skala (flere kilometer) kunne utvikles ved hjelp av optiske modi. Ved tilstrekkelig lave tap, er disse systemer gir høy hastighet og båndbredde. De kan forlenges fra stasjonære implementeringer midlere rekkevidde systemer som arbeider over luft eller optisk fiber, med mulig integrering med et ensemble av mengde hukommelse. Over lange avstander, men med lavere hastighet kan oppnås ved hjelp av en hybrid tilnærming eller ved å utvikle gode repeatere basert på ikke-Gaussiske prosesser.

telekommunikasjon

Langdistanse quantum teleportering (over 100 km) er et aktivt område, men fortsatt lider av en åpen problem. Polarisering qubits - de beste bærere for lav hastighet telefonkontakt over lange fiberoptiske kommunikasjonslinjer og gjennom luften, men i øyeblikket protokollen er en sannsynlighets grunn av ufullstendig deteksjon Bella.

Selv probabilistisk teleporte og sammenfiltring er egnet for slike anvendelser som destillasjon av sammenfiltring og kvantum kryptografi, men det er klart forskjellig fra det kommunikasjon, der den inngangsinformasjonen må være fullstendig bevart.

Hvis vi aksepterer dette probabilistic natur, gjennomføring av satellitten er innenfor rekkevidden av moderne teknologi. I tillegg til integrering av sporingsmetoder, er hovedproblemet er de høye tap som følge av spredning av strålen. Dette kan overvinnes i en konfigurasjon hvor sammenfiltring blir fordelt fra satellitten til den terrestriske teleskop med en stor blenderåpning. Forutsatt satellitt åpning på 20 cm ved 600 km høyde og 1 ml åpning teleskop på bakken, kan man forvente ca. 75 dB tap i en nedlink-kanal som er mindre enn 80 dB tap på bakkenivå. Gjennomføring av "jorden satellitt" eller "følges satellitt" er mer komplekse.

quantum minne

Fremtidig bruk av teleportering som en del av et skalerbart nettverk er direkte relatert til sin integrasjon med quantum minne. Den sistnevnte må ha ypperlig når det gjelder effektivitet omdannelse grensesnitt "stråle-stoff', en nøyaktigheten av registrering og avlesning, tid og lagerkapasitet, høy hastighet og lagringskapasitet. Først av alt det kan du bruke repeatere for å styrke kommunikasjonen langt utover den direkte overføring ved hjelp av feilkorrigeringskoder. Utviklingen av en god kvantesprang hukommelse ville tillate ikke bare for å fordele sammenfiltring og teleportenettverkskommunikasjon, men også koblet for å behandle lagret informasjon. Til syvende og sist, kan dette bli til et nettverk av internasjonalt distribuert kvantedatamaskin eller et grunnlag for fremtidig quantum Internett.

lovende utvikling

Kjernefysiske ensembler tradisjonelt ansett attraktive på grunn av deres effektiv omdannelse av "light-matter" og deres millisekunders perioder med lagring, som kan være opp til 100 ms for å overføre lys globalt. Imidlertid er mer avanserte utbygginger nå forventet på grunnlag av halvledersystemer, hvor utmerket spin ensemble kvante minne direkte integrert med skalerbar arkitektur krets QED. Dette minnet kan ikke bare forlenge koherenstiden kretsen QED, men også for å tilveiebringe optisk-mikrobølge grensesnitt for omdannelsen av optiske telekommunikasjons og chip-mikrobølge fotoner.

Dermed fremtidige funn av forskere innen quantum internett vil trolig være basert på langdistanse optisk kommunikasjon, konjugerte halvledende enheter for quantum informasjonsbehandling.