Kvantna teleportacija: velika otkrića fizičara

Kvantna teleportacija je jedan od najvažnijih protokola kvantnih informacija. Temeljeno na fizičkom resursu zapleta, služi kao glavni element raznih informacijskih zadataka i važan je dio kvantnih tehnologija, koji igraju ključnu ulogu u daljnjem razvoju kvantno računalstva, umrežavanja i komunikacije.

Od znanstvene fantastike do otkrića znanstvenika

Prošlo je više od dva desetljeća od otkrića kvantne teleportacije koja je, možda, jedna od najzanimljivijih i najuzbudljivijih posljedica "neobičnosti" kvantne mehanike. Prije nego što su napravljena ova velika otkrića, ta je ideja pripadala području znanstvene fantastike. Izvorno izumljen 1931. Charles H. Fort, pojam "teleportacija" od tada se koristi za upućivanje na proces kojim se tijela i objekti prenose s jednog mjesta na drugo, zapravo bez prevladavanja udaljenosti između njih.

Godine 1993. objavljen je članak koji opisuje protokol kvantne informacije, pod nazivom "kvantna teleportacija", koja je dijelila nekoliko od navedenih karakteristika. To nepoznato stanje fizikalnog sustava se mjeri i kasnije reproducirati, ili „ponovno ide” u udaljenom mjestu (fizički elementi izvornog sustava ostaju u prijenosu mjesto). Ovaj proces zahtijeva klasična sredstva komunikacije i isključuje superluminalnu komunikaciju. To zahtijeva izvor opterećenja. U stvari, teleportacija može se promatrati kao protokol kvantnih informacija koje najjasnije pokazuje prirodu zabune: ne prisutnost stanje prijenosa neće biti moguće u okviru zakona koji opisuju kvantnu mehaniku.

Teleportacija igra aktivnu ulogu u razvoju znanosti o informacijama. S jedne strane, ovo je konceptualni protokol koji igra odlučujuću ulogu u razvoju formalnog kvantnog teorija informacija, i s druge je temeljna komponenta mnogih tehnologija. Kvantni repeater je ključni element komunikacije na velikim udaljenostima. Teleportacija kvantnih sklopki, izračuni na temelju mjerenja i kvantnih mreža - svi su njegovi derivati. Također se koristi kao jednostavan alat za proučavanje "ekstremne" fizike koja se odnosi na vremenske krivulje i isparavanje crne rupe.

Danas kvantna teleportacija potvrđeno u laboratorijima širom svijeta koji koriste razne podloge i tehnologija, uključujući fotoničkim kvantnih bitova, nuklearna magnetska rezonancija, optičkih načina, skupina atoma, zarobljeni atoma i poluvodiča sustava. Izvanredni rezultati postignuti su u području teleportiranja, započeli su eksperimenti s satelitima. Osim toga, pokušaji su počeli mjeriti na složenijim sustavima.

Teleportacija qubita

Kvantna teleportacija najprije je opisana za sustave s dvije razine, tzv. Qubits. Protokol se odnosi na dvije udaljene strane, nazvane Alice i Bob, koje dijele 2 qubits A i B u čistu zapetljanu državu koja se također naziva Bell par. Na ulazu u Alice daje se još jedan qubit, čija je država rho- je nepoznat. Zatim provodi zajedničko kvantno mjerenje, zvano Bellovo otkriće. Prebacuje A i A u jednu od četiriju država Bellova. Kao rezultat toga, stanje Alice ulaza za vrijeme mjerenja nestaje, a Bob Bova kocka istovremeno se projicira na P^dagger-_kp-P_k. U posljednjoj fazi protokola, Alice prenosi klasični rezultat njezina mjerenja Bobu, koji koristi Pauli operatera P_k za vraćanje izvornika Rho.

Početno stanje Alice qubit se smatra nepoznatim, jer inače protokol se svodi na daljinsko mjerenje. Osim toga, to može biti dio većeg kompozitnog sustava koji se dijeli s trećom stranom (u tom slučaju uspješna teleportacija zahtijeva reprodukciju svih korelacija s tom trećom stranom).

Tipičan eksperiment o kvantnoj teleportaciji pretpostavlja izvorno stanje čisto i pripadaju ograničenom abecede, na primjer, šest stupova Blochove sfere. U prisustvu dekoherencije, kvaliteta rekonstruirane države može se kvantitativno izraziti pomoću telekomunikacijske točnosti F izin- [0, 1]. Ovo je preciznost između stanja Alisa i Boba, u prosjeku za sve rezultate Bellova otkrivanja i izvorne abecede. Za male vrijednosti točnosti postoje metode koje vam omogućuju nesmetanu teleportaciju bez korištenja zamršenog resursa. Na primjer, Alice može izravno izmjeriti svoje početno stanje tako što će poslati rezultate Bobu da pripremi dobivenu državu. Ova strategija mjerenja-priprema naziva se "klasična teleportacija". Ima maksimalnu točnost F_klasa = 2/3 za proizvoljnu ulaznu državu koja je ekvivalentna abecedi međusobno nepristranih stanja, kao što su šest stupova Blochove sfere.

Dakle, jasna naznaka korištenja kvantnih resursa je vrijednost točnosti F> F_klasa.

Niti jedan qubit od singla

Kao što je kvantna fizika, teleportacija nije ograničena na qubits, ona može uključivati ​​višedimenzionalne sustave. Za svako konačno mjerenje d, možemo formulirati idealnu teleportacijsku shemu koja koristi osnovu najrazvijenijih državnih vektora, koja se mogu dobiti iz dane maksimalno zbunjene stanja i baze {U_k} jedinstvenih operatora koji zadovoljavaju tr (U^dagger-_j U_k) = ddelta-_{j, k}. Takav protokol može biti konstruiran za bilo koji konačni dimenzionalni Hilbertov prostor tzv. diskretne varijabilne sustave.

Osim toga, kvantna teleportacija može se proširiti i na sustave s beskrajnim dimenzionalnim prostorom Hilberta, nazvanim kontinuirano varijabilnim sustavima. U pravilu, oni se ostvaruju optičkim boksnim načinima, čije električno polje može opisati kvadraturni operateri.

Brzina i načelo nesigurnosti

Koja je brzina kvantne teleportacije? Informacije se prenose brzinom sličnom brzini prijenosa iste količine klasične - možda s brzina svjetlosti. Teoretski se može koristiti na način da klasično ne može - primjerice kvantno računanje, gdje su podaci dostupni samo primatelju.

Kvaruje li kvantna teleportacija načelo nesigurnosti? U prošlosti znanstvenici nisu shvatili ideju teleportiranja, jer je vjerovalo da je prekršio princip koji zabranjuje bilo kojem mjerenju ili postupku skeniranja da se izvadi sve informacije iz atoma ili drugog objekta. U skladu s načelom nesigurnosti, preciznije objekt se skenira, više je pod utjecajem procesa skeniranja do točka je postignut kada prvobitno stanje objekta poremećen do te mjere da se više ne mogu dobiti dovoljno informacija za izradu replika. To zvuči uvjerljivo: ako osoba ne može izvući informacije iz objekta kako bi stvorila idealnu kopiju, potonji se ne može učiniti.

Kvantna teleportacija za lutke

Ali šest znanstvenika (Charles Bennett, Gilles Brassard Claude Crépeau Richard Jos, Asher Peres i William Wouters) pronašao način oko ove logike, koristeći slavio i paradoksalno svojstvo kvantne mehanike poznat kao Einstein-Podolsky-Rosen. Pronašli su način skeniranja nekih informacija teleportiranog objekta A, a ostatak neprovjerenog dijela pomoću gore navedenog učinka za prijenos na drugi objekt C, u kontaktu s A nikad ne boraveći.

U budućnosti, primjenom utjecaja na C, ovisno o skeniranim podacima, možete unijeti C u stanje A prije skeniranja. Sama više nije u tom stanju, jer se potpuno mijenja proces skeniranja pa je rezultat teleportiranje, a ne replikacija.

Borba za raspon

• Prva kvantna teleportacija provedena je 1997. gotovo istodobno od strane znanstvenika sa Sveučilišta u Innsbrucku i Sveučilišta u Rimu. Tijekom eksperimenta, izvorni foton koji ima polarizaciju i jedan od par impregniranih fotona podvrgnut je promjeni na takav način da je drugi foton primio polarizaciju izvornog fotona. Istodobno su oba fotona bila udaljena jedna od druge.
• U 2012. godini bilo je redovan kvantni teleportacija (Kina Sveučilištu znanosti i tehnologije) kroz alpskog jezera na udaljenosti od 97 km. Tim znanstvenika iz Šangaja, na čelu s Juanom Yinom, uspio je razviti sugestivan mehanizam koji je omogućio točno usmjeravanje grede.
• U rujnu iste godine provedena je rekordna kvantna teleportacija od 143 km. Austrijski znanstvenici s Austrijske akademije znanosti i Sveučilišta u Beču, pod vodstvom Anton Zeilingera, uspješno su prenijeli kvantna stanja između dva kanarska otoka La Palma i Tenerife. Eksperiment koristiti dva optička komunikacijske linije na otvorenom, kvantumnaya i klasične, frekvencija nekorelirani polarizacija zapetljanih par fotona izvora, sverhnizkoshumnye detektore jednog fotona i spojke sinkronizaciju sata.
• U 2015. godini, istraživači američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju prvi put prenose informacije preko udaljenosti od više od 100 km vlaknima. To je omogućilo detektore jednog fotona stvorene u Institutu, koristeći supravodljive nanoveze od molibdenskog silicida.

Jasno je da idealan kvantni sustav ili tehnologija još ne postoji, a velika otkrića budućnosti leže ispred sebe. Ipak, moguće je pokušati identificirati moguće kandidate u specifičnim aplikacijama teleportiranja. Odgovarajuća hibridizacija, pod uvjetom da kompatibilna baza i metode mogu pružiti najperspektivniju budućnost za kvantno teleportiranje i njegove primjene.

Kratke udaljenosti

Teleportacija kratke udaljenosti (1 m) kao kvantno računanje podsustava obećavajuće poluvodičkih uređaja, od kojih je najbolje je dijagram QED. Konkretno, supravodljivi transmonon qubits mogu jamčiti determinističku i preciznu teleportaciju na čipu. Oni također omogućuju izravno hranjenje u stvarnom vremenu, što izgleda problematično na fotonskim čipovima. Osim toga, oni pružaju skalabilniju arhitekturu i bolju integraciju postojećih tehnologija u usporedbi s prethodnim pristupima, kao što su zarobljeni ioni. Trenutno, jedini nedostatak tih sustava čini se da je njihovo ograničeno vrijeme koherentnosti (<100 | ig). Ovaj problem se može riješiti pomoću QED integraciju s poluvodički sklopovi vrtjeti ansambl memorijske stanice (dušik-supstituirani sa slobodnim radnim mjestima ili kristalno dopiranih elemenata rijetkih zemalja), koji mogu pružiti dugo vremena za usklađivanje za visinu za pohranu podataka. Trenutačno je ova provedba predmet mnogo truda znanstvene zajednice.

Gradska komunikacija

Teleport komunikacija na gradskoj skali (nekoliko kilometara) mogla bi se razviti pomoću optičkih načina rada. Uz dovoljno niske gubitke, ti sustavi omogućuju velike brzine i širinu pojasa. Mogu se proširiti od implementacije računala do sustava srednjeg raspona koji djeluju putem etera ili vlakana, uz moguću integraciju s kvantnom memorijom sastava. Dulje udaljenosti, ali s nižim brojem okretaja, mogu se postići hibridnim pristupom ili razvijanjem dobrih ponavljača na temelju ne-Gaussovih procesa.

Komunikacija na daljinu

Kvantna teleportacija na više udaljenosti (više od 100 km) aktivno je područje, ali i dalje pati od otvorenog problema. Polarizacija kvantnih bitova - najbolji su nosači za male brzine teleport preko dugih optičkih linija komunikacije i kroz zrak, ali u ovom trenutku protokol je probabilistički zbog nepotpune otkrivanju Bella.

Iako probabilistički teleportacija i zaplitanja su pogodne za aplikacije kao što su destilacija zapletenosti i kvantne kriptografije, ali je jasno razlikuje od komunikacije u kojem je ulazni podaci moraju biti u potpunosti očuvana.

Ako uzmemo u obzir ovaj probabilistički karakter, satelitske implementacije su dostupne modernim tehnologijama. Uz integraciju metoda praćenja, glavni je problem visoki gubitci uzrokovani širenjem grede. To se može prevladati u konfiguraciji gdje se zagušenja distribuira od satelita do kopnenih teleskopa s velikim otvorom. Uz pretpostavku satelitsku otvor od 20 cm na 600 km visine i 1 m otvora teleskop na terenu, može se očekivati ​​oko 75 dB gubitka u downlink kanala koji je manji od 80 dB gubitka u prizemlju. Realizacija "zemaljskog satelita" ili "satelitskog satelita" je složenija.

Kvantna memorija

Buduća uporaba teleportacije kao sastavnog dijela skalabilne mreže izravno ovisi o njegovoj integraciji s kvantnom memorijom. Potonji bi trebao imati odličan sučelje zračenja i materije, u smislu učinkovitosti pretvorbe, točnosti snimanja i čitanja, vremena skladištenja i širina pojasa, brzine i kapaciteta pohrane. Prije svega, to će omogućiti ponovnim korištenjem repeatora da se prošire komunikacija daleko iznad izravnog prijenosa pomoću kodova za ispravljanje pogrešaka. Razvijanje dobre kvantne memorije omogućilo bi ne samo distribuciju komuniciranja mreže i telekomunikacijske komunikacije, već i procesu usklađivanja pohranjenih informacija. Konačno, to može pretvoriti mrežu u svijet kvantno računalo ili osnova za budućnost kvantnog interneta.

Razvoj perspektive

Nuklearne ansambli tradicionalno smatra atraktivna zbog svoje učinkovito pretvaranje u „light-materije” i njihovih milisekundi razdoblja skladištenja, što može biti i do 100 ms potrebnih za prijenos svjetla na globalnoj razini. Ipak, očekuje se još obećavajući razvoj na temelju poluvodičkih sustava, gdje se izvrsna kvantna memorija spin-ansambl izravno integrira s skalabilnom arhitekturom QED sheme. Ova memorija ne samo da može produžiti koherentno vrijeme QED kruga, već i pružiti optičko-mikrovalni sučelje za interkonverziju fotonima s mikrovalnim okvirom i mikrovalnim mikrovalovima.

Prema tome, buduća otkrića znanstvenika na području kvantnog Interneta vjerojatno će se temeljiti na optičkom spoju dugog dometa, zajedno s poluvodičkim čvorovima za obradu kvantnih informacija.