Kvantová teleportácia: veľké objavy fyzikov

Kvantová teleportácia je jedným z najdôležitejších protokolov v kvantovej informácie. S ohľadom na fyzické zdroje zmätku báze, je hlavným prvkom rôznych informačných úloh a predstavuje dôležitú súčasť kvantových technológií, ktoré hrajú kľúčovú úlohu v ďalšom vývoji kvantovej výpočtovej techniky, sietí a komunikácií.

Od sci-fi k vedeckým objavom

To bolo viac ako dve desaťročia od objavu kvantovej teleportácie, čo je pravdepodobne jedným z najzaujímavejších a vzrušujúce dôsledky "podivnosti" kvantovej mechaniky. Pred tieto boli vykonané veľké objavy, táto myšlienka patrila do ríše sci-fi. Prvýkrát vynájdený v roku 1931 Charles H. Fort termínu "teleportácie" Od tej doby bol používaný na opis procesu, ktorým sa telo a objekty sú prenesené z jedného miesta na druhé, nie je v skutočnosti prekonať vzdialenosť medzi nimi.

V roku 1993 publikoval článok popisujúci protokol kvantovej informácie, nazvaný "kvantová teleportácia", ktorý zdieľal niektoré z vyššie uvedených príznakov. To neznámy stav fyzického systému sa meria a následne reprodukovať alebo "re-ísť" na vzdialenom mieste (fyzické prvky pôvodného systému zostávajú v prenose miesto). Tento proces si vyžaduje klasické komunikačné prostriedky a eliminuje nadprahovej komunikáciu. To si vyžaduje život zámeny. V skutočnosti, teleportácia dá zobraziť ako protokol kvantovej informácie, ktoré najzreteľnejšie ukazuje, povahu zmätku: bez prítomnosti stavu prevodu by nebolo možné v rámci právnych predpisov, ktoré popisujú kvantovú mechaniku.

Teleportácia hrá aktívnu úlohu vo vývoji vedy informácií. Na jednej strane sa jedná o koncepčné protokol, ktorý hrá kľúčovú úlohu vo vývoji formálneho kvantovej teórie informácie, a na druhej strane to je základnou zložkou mnohých technológií. Kvantový opakovač - kľúčovým prvkom komunikácie na diaľku. Teleportation kvantovej spínače, výpočty na základe meraní a kvantovej siete - sú všetky ich deriváty. To je používané ako jednoduchý nástroj pre štúdium "extrémne" fyziky, o dočasných kriviek a vyparovanie čiernych dier.

Dnes kvantovej teleportácie potvrdené v laboratóriách po celom svete s použitím rôznych substrátov a technológií, vrátane photonic qubits, nukleárna magnetická rezonancia, optických spôsobov, skupín atómov, zachytený atómov a polovodičových systémov. Vynikajúce výsledky boli dosiahnuté v teleportácie rozmedzí najbližších experimentoch s satelitov. Okrem toho boli vykonané pokusy rozšíriť až na zložitejšie systémy.

teleportácie z qubits

Kvantová teleportácia bol prvýkrát opísaný pre systémy dve úrovne, tzv qubits. Protokol zvažuje dve vzdialenej strany, nazvaný Alice a Bob, ktorí zdieľajú qubit 2, A a B sú v čistom stave zapletená, tiež volal Bell pair. Pri vchode do Alice dostať ďalšiu qubit a ktorej stav ρ nie je známy. To potom vykonáva spoločnú kvantovej merania, tzv objav Bell. Nesie A a A v jednom zo štyroch Bell štátov. V dôsledku toho je vstupný stav qubit pri meraní Alice zmizne a Bob B qubit súčasne premietané na P ^† _k ρP _k. V poslednom kroku protokole Alice vysiela klasickú výsledok svojej merania Bob, ktorý sa použije Pauli P operátora _k obnoveniu pôvodnej pM.

Počiatočný stav qubit Alice je považovaná za anonymné, pretože inak je protokol znížená na diaľkové meranie. Okrem toho môže byť samo o sebe súčasťou väčšieho kompozitného systému, zdieľané s treťou stranou (v tomto prípade úspešného teleportácie všetko vyžaduje prehrávanie korelácia s touto treťou stranou).

Typický experiment kvantovej teleportation sa čistý pôvodného stavu a patrí do obmedzeného abecedy, napríklad šiestich póly Bloch gule. V prítomnosti kvality decoherence rekonštruovaného stavu môže byť vyjadrená kvantitatívne presné teleportácie F ∈ [0, 1]. Táto presnosť medzi stavmi Alice a Bob, v priemere za všetkých výsledkov detekcie Bell a pôvodné abecedy. Pre malé hodnoty presnosti metódy existujú, čo umožňuje nedokonalé teleportácie bez zložitej zdroja. Napríklad, Alice môže priamo merať pôvodného stavu zaslaním Boba na prípravu výslednej stavu. Toto meranie tréning stratégie označované ako "klasický teleportácie." To má maximálnu presnosť F _triedy = 2/3 pre akýkoľvek stav vstupu, ekvivalentné abecednom vzájomne Nestranná podmienky, ako je Bloch guľa šesť pólov.

Tak, jasne ukazuje na využívanie kvantových zdrojov je presná hodnota F> F _class.

Ani jediný qubit

Podľa kvantovej fyziky, teleportácia qubits nie je obmedzený, môže zahŕňať viacrozmerný systém. Pre každú konečnú opatrenia D možno formulovať ideálneho schéme teleportácie použitie základe maximálne zapletená štátnej vektorov, ktoré môžu byť získané z daného maximálne zapletená stavu a základňu {U _k} unitárny operátor vyhovujúce ^{_{tr (U † j U K)}} = dδ J, K , Takýto pracovný postup môže byť konštruovaný z akéhokoľvek konečných Hilbertova priestoru r. N. diskrétne variabilné systémy.

Okrem toho, kvantová teleportácia možné použiť pre systémy s nekonečným Hilbertova priestoru, sa nazývajú s plynulo premenným systémami. Spravidla sú realizovaná optickými bozón módy, elektrické pole, ktoré možno označiť operátorov kvadratúrnej.

Princíp rýchlosť a neistota

Aká je rýchlosť kvantovej teleportácie? Informácie sú prenášané rýchlosťou podobnou rýchlosti prenosu s rovnakým počtom klasiky - prípadne s rýchlosťou svetla. Teoreticky tak môže byť použitý ako klasický nemôže - napríklad v kvantovej práce na počítači, kde sú údaje len príjemcovi k dispozícii.

Má kvantová teleportácia porušujú Princíp neurčitosti? V minulosti sa myšlienka teleportácia v skutočnosti nie je braný vážne učenci, pretože sa verilo, že je v rozpore so zásadou zákazu pre každého meranie alebo skenovanie postup získať všetky atóm informačné alebo iný predmet. V súlade s princípom neistoty, tým presnejšie je objekt je snímaný, tým viac je ovplyvnená testovacieho procesu, kým sa nedosiahne bodu, keď je pôvodný stav objektu narušený do tej miery, že viac nie je možné získať dostatok informácií pre vytvorenie replík. Znie to presvedčivo: ak človek nemôže získať informácie z objektu vytvoriť perfektné kópie, druhý nemôže byť vykonané.

Kvantová teleportácia pre nechápavo

Ale šesť vedcov (Charles Bennett, Zhili Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres a Uilyam Vuters) našli cestu okolo tejto logiky, s použitím oslavovaný a paradoxné rys kvantovej mechaniky známych ako Einstein-Podolska-Rosen. Našli spôsob, ako skenovanie informačné teleported objekt A, a zvyšok nevyskúšaný prostredníctvom účinku prenosu ďalších objektov v kontakte s nikdy riadiť.

Následne, že sa na expozície C závislé snímanej informácie môžu byť zadané do stavu A do skenovania. A sám nie je v rovnakom stave ako v obrátenom procesu skenovania, a tým dosiahnuť je teleportácia, nie je replikácie.

Boj o rozsah

• Prvý kvantový teleportation sa konala v roku 1997 takmer súčasne vedci z univerzity v Innsbrucku a na univerzite v Ríme. Počas experimentu zdroj fotónov má polarizáciu, a jeden z dvojice zapletených fotónov bol zmenený tak, že druhý pôvodná polarizácie fotónov dostal. Tak obaja fotóny sú rozmiestnené od seba navzájom.
• V roku 2012, tam bol pravidelný kvantovú teleportáciu (Čína University of Science and Technology) cez vysokohorské jazero vo vzdialenosti 97 km. Tím vedcov z Šanghaja pod vedením Juana Iinem podarilo vyvinúť sugestívne mechanizmus, ktorý umožnil presné zacielenie lúča.
• V septembri, rekordný kvantová teleportácia na 143 km bol vykonaný v rovnakom roku. Rakúski vedci z Akadémie vied Rakúska a na univerzite vo Viedni pod vedením Antona Tsaylingera úspešne prenáša kvantových stavov medzi dvoma Kanárske ostrovy La Palma a Tenerife. Experiment použité dva optické komunikačné linky do otvorenej, kvantumnaya a klasický, frekvencia nekorelované polarizácia prepletené dvojica zdrojov fotónov, sverhnizkoshumnye detektory jednofotónová a spojky synchronizácie hodín.
• V roku 2015 vedci z amerického Národného ústavu pre normy a technológie prvýkrát vyrobené prenos informácií na vzdialenosť väčšiu ako 100 km optických vlákien. To bolo možné vďaka ústavu vytvoreného detektora fotónov s použitím supravodivých nanovlákien kremičitan molybdénu.

Je jasné, že ideál kvantového systému alebo technológie ešte neexistuje a veľké objavy budúcnosti ešte len príde. Napriek tomu sa môžeme pokúsiť identifikovať možné kandidátmi pre špecifické aplikácie teleportácie. Vhodné hybridizácia je opatrený pevný základ a spôsoby môžu poskytovať najsľubnejšie budúcnosti pre kvantovej teleportácie a jeho aplikácie.

krátke vzdialenosti

Teleportation krátku vzdialenosť (1 m), ako kvantové počítanie subsystému sľubné polovodičových zariadení, z ktorých najlepší je schéma QED. Najmä supravodivých qubits transmonovye môže zaručiť deterministický a veľmi presné teleportačný čip. Umožňujú tiež priamy tok v reálnom čase, čo sa zdá problematické na fotonických čipov. Okrem toho, že poskytujú viac škálovateľné architektúre a lepšiu integráciu existujúcich technológií v porovnaní s predchádzajúcimi prístupmi, ako uväznené ióny. V súčasnej dobe je jedinou nevýhodou týchto systémov je zrejme ich obmedzená doba koherencia (<100 ms). Tento problém môže byť vyriešený pomocou integrácie QED s polovodičovými obvodmi točiť ansámbel pamäťovej bunky (dusík-substituovaný miest alebo kryštálu aditivovaných prvky vzácnych zemín), ktoré môžu poskytnúť dlhú dobu súdržnosť pre quantum ukladanie dát. V súčasnej dobe je táto implementácia je záležitosťou väčšieho úsilia vedeckej komunity.

mesto odkaz

Nás teleportovať do centra meradle (niekoľko kilometrov), by mohla byť vyvinutá s využitím optických režimami. Pri dostatočne nízku stratou, tieto systémy poskytujú vysokú rýchlosť a šírku pásma. Môžu byť predĺžená z implementácií stolových pre systémy stredného rozsahu prevádzkových vzduchom alebo optické vlákno, s možnosťou integrácie s kompletu kvantovej pamäti. Na dlhé vzdialenosti, ale s nižšou rýchlosťou možno dosiahnuť hybridný prístup alebo vytvorením dobrých zosilňovačov na báze ne-Gaussian procesy.

telekomunikácie

Diaľková kvantová teleportácia (vyše 100 km) je aktívna oblasť, ale stále trpí otvoreným problémom. Polarizačný qubits - najlepšie nosiče pre nízkorýchlostné teleportu na dlhé optických komunikačných liniek a vo vzduchu, ale v okamihu, kedy je protokol pravdepodobnostné v dôsledku neúplnej detekcii Bella.

Hoci pravdepodobnostné teleportácie a zapletenie sú vhodné pre aplikácie, ako je destilácia zapletenie a kvantovej kryptografie, ale je jasne odlišné od komunikácie, v ktorom je vstupná informácia musí byť plne zachovaná.

Ak prijmeme túto pravdepodobnostné charakter, realizácia družice sú v dosahu moderných technológií. Navyše k integrácii metód sledovania, je hlavným problémom sú vysoké straty spôsobené šírenie lúča. To môže byť prekonaná v konfigurácii, kedy je zapletenie distribuovaný zo satelitu do pozemného ďalekohľadu s veľkým otvorom. Za predpokladu, že satelitný otvor 20 cm na 600 km a výšku 1 m clony ďalekohľadu na zemi, možno očakávať, že asi 75 dB straty v downlink kanáli, ktorý je menší ako 80 strata na úrovni terénu dB. Vykonávanie "zemského satelitu" alebo "spoločník družice" sú zložitejšie.

kvantová pamäť

Budúce využitie teleportácie ako súčasť škálovateľné siete je priamo súvisí s jeho integrácia s kvantovou pamäte. Ten musí mať vynikajúce, pokiaľ ide o účinnosť konverzie rozhrania "radiačného veci ', s presnosťou na záznam a čítanie, času a úložnú kapacitu, vysokú rýchlosť a skladovacie kapacity. V prvom rade to vám umožní používať opakovače pre zvýšenie komunikácie ďaleko za priamy prenos s použitím korekčných kódov chýb. Rozvoj dobré kvantovej pamäti by umožnila nielen distribuovať zapletenie a teleportácie sieťovú komunikáciu, ale tiež pripojený na spracovanie uložených informácií. V konečnom dôsledku by to mohlo premeniť v sieti medzinárodne distribuovanej kvantového počítača alebo základ pre budúce kvantovej internetu.

sľubný rozvoj

Nukleárna súbory tradične považovaný za atraktívne, pretože ich efektívne premenu "light-záležitosť" a ich milisekúnd dobe skladovania, ktorá môže byť až 100 ms potrebných k prenosu svetla po celom svete. Avšak, pokročilejšie vývoj sa teraz očakáva, že na základe polovodičových systémov, kde výborný spin ensemble kvantová pamäť priamo integrované s škálovateľnú architektúrou obvodu QED. Táto pamäť môže nielen rozšíriť okruh QED súdržnosť čase, ale tiež poskytnúť optické rozhranie pre mikrovlnnú interconversion optické telekomunikačné a čipových mikrovlnných fotónov.

Tak, budúce objavy vedcov v oblasti kvantovej internetu je pravdepodobné, že bude založená na diaľkové optickej komunikácie, konjugovanej polovodičové jednotky pre kvantovej spracovanie informácie.