Quantum teleportation: العظيم اكتشافات علماء الفيزياء

Quantum teleportation هو واحد من أهم البروتوكولات في الكم من المعلومات. استنادا إلى الموارد المادية المشاركة كانت بمثابة العنصر الرئيسي من المعلومات المختلفة والمهام يمثل جزءا هاما من الكم التقنيات تلعب دورا رئيسيا في تطوير الحوسبة الكمومية ، الشبكات و الاتصالات.

من الخيال العلمي إلى اكتشاف علمي

فقد كان أكثر من عقدين من الزمن منذ اكتشاف quantum teleportation, الذي هو على الارجح واحدة من الأكثر إثارة للاهتمام ومثيرة عواقب "الشذوذ" ميكانيكا الكم. قبل أن جعلت هذه الاكتشافات الكبرى ، هذه الفكرة تنتمي إلى الخيال العلمي. أول من صاغ في عام 1931 من قبل تشارلز H. فورت مصطلح "تحريك تخاطر" منذ للدلالة على العملية التي هيئات الكائنات يتم نقلها من مكان إلى آخر ، وليس حقا التغلب على المسافة بينهما.

في عام 1993 مقالا نشرت وصف بروتوكول الكم من المعلومات ، ودعا "quantum teleportation" الذي يشارك عدد قليل من العلامات المذكورة أعلاه. في حالة غير معروفة من نظام مادية تقاس ثم إعادة إنتاجها أو “ذاهبون" في مكان بعيد (العناصر المادية من النظام الأصلي تبقى في مكانها نقل). وتتطلب هذه العملية الكلاسيكية التواصل يستبعد superluminal الاتصالات. فإنه يتطلب المورد من التشابك. في الواقع, تحريك تخاطر يمكن أن ينظر إليه باعتباره بروتوكول الكم من المعلومات التي معظم يدل بوضوح على طبيعة مشاركة: من دون وجود مثل هذا الشرط من نقل لن يكون ممكنا ضمن القوانين التي تصف ميكانيكا الكم.

تحريك تخاطر بدور نشط في تطوير العلوم من المعلومات. من ناحية ، المفاهيمي هذا البروتوكول ، الذي يلعب دورا حاسما في التنمية الرسمية الكم نظرية المعلومات ، ومن ناحية أخرى هو جزء أساسي من العديد من التقنيات. الكم مكرر-عنصرا أساسيا من الاتصالات لمسافات طويلة. التخاطر الكم تبديل الحسابات على أساس القياسات الكم شبكة – جميع مشتقاته. وهو يستخدم أداة بسيطة لدراسة “المتطرفة" الفيزياء المتعلقة الوقت المنحنيات و تبخر الثقوب السوداء.

اليوم quantum teleportation أكد في مختبرات في جميع أنحاء العالم باستخدام العديد من ركائز مختلفة و التقنيات بما في ذلك الضوئية المكدسة ، الرنين المغناطيسي النووي ، بصري وزارة الدفاع مجموعات من الذرات المحاصرين ذرات أشباه الموصلات النظم. النتائج المتميزة التي تحققت في مجال مجموعة النقل الفضائي, تأتي التجارب مع الأقمار الصناعية. بالإضافة إلى محاولات لتوسيع نطاق يصل إلى أنظمة أكثر تعقيدا.

تحريك تخاطر من المكدسة

Quantum teleportation كان أول من وصف لمدة سنتين على مستوى أنظمة ما يسمى المكدسة. البروتوكول النظر في اثنين من أطراف بعيدة ، ودعا أليس وبوب, الذين يشتركون 2 كوبيت A و b في محض شرك الدولة ، المعروف أيضا باسم جرس الزوج. عند مدخل أليس تعطى أخرى كوبيت وهو الذي مثل &رو; غير معروفة. ومن ثم يقوم المشترك الكم القياس ، ودعا بيل الاكتشاف. فإنه يأخذ في واحدة من أربع بيل الدول. ونتيجة لذلك ، فإن الدولة المدخلات كوبيت أليس في قياس يختفي كوبيت بوب ب في وقت واحد المتوقعة على P^†_K&رو;P_K. في المرحلة الأخيرة من البروتوكول أليس يرسل الكلاسيكية نتيجة القياس إلى بوب ، الذي ينطبق باولي مشغل P_K لاستعادة الأصلي &رو;.

الحالة الأولية كوبيت أليس يعتبر غير معروف ، وإلا البروتوكول يتم تقليل إلى القياس عن بعد. وبالإضافة إلى ذلك, يمكن أن تكون هي نفسها جزءا من مركب النظام مشتركة مع طرف ثالث (في هذه الحالة ، ناجح تحريك تخاطر يتطلب اللعب كل الارتباطات مع هذا الطرف الثالث).

نموذجية التجربة على النقل الكوانتي يأخذ الحالة الأصلية نقية و تنتمي إلى مجموعة محدودة من الحروف الأبجدية ، على سبيل المثال ، ستة أقطاب بلوخ المجال. في وجود التعارض جودة إعادة بناء الدولة يمكن أن يكون كميا من خلال دقة تحريك تخاطر F &كود الترقيم الدولي; [0, 1]. هذا هو دقة بين أليس وبوب ومتوسطاتها جميع الكشف عن نتائج بيل المصدر الأبجدية. الصغيرة قيم دقة ، وهناك الطرق التي تسمح ناقصة تحريك تخاطر من دون استخدام معقدة الموارد.على سبيل المثال, أليس يمكن قياس مباشرة حالته الأصلية ، وإرسال النتائج إلى بوب لإعداد الناتجة الدولة. هذه الاستراتيجية القياس-إعداد يسمى “الكلاسيكية تحريك تخاطر". فقد أقصى قدر من الدقة F_الدرجة = 2/3 من أجل التعسفي الإدخال الدولة ، وهو ما يعادل الأبجدية للطرفين منحازة الدول ، مثل ستة أقطاب بلوخ المجال.

وهكذا, علامة واضحة على استخدام الكم الموارد الدقة قيمة F> F_الدرجة.

لا كوبيت واحد

يقول فيزياء الكم, تحريك تخاطر لا يقتصر على المكدسة ، قد تشمل الأبعاد النظام. كل البعد محدود d, يمكننا صياغة مثالية مخطط تحريك تخاطر باستخدام الحد الأقصى متشابكا ناقلات أساس الدولة ، والتي يمكن الحصول عليها من إعطاء أقصى قدر من التعقيد أساس {U_K} من الوحدوي مشغلي مرضية tr(U^†_ي U_K) = dδ_J,k. هذا البروتوكول يمكن بناؤها على أي conecerning فضاء هلبرت ما يسمى منفصلة متغير النظم.

وبالإضافة إلى ذلك ، quantum teleportation يمكن أن تمتد إلى أنظمة لانهائية الأبعاد فضاء هلبرت ، ويسمى مستمر متغير النظم. كقاعدة عامة, يتم تنفيذها البصرية bosonic وسائط ، المجال الكهربائي التي يمكن وصفها التربيع المشغلين.

سرعة مبدأ عدم اليقين

ما هي سرعة النقل الكوانتي? يتم نقل المعلومات بسرعة مماثلة لسرعة نقل نفس الكمية من الكلاسيكية – ربما مع سرعة الضوء. نظريا يمكن أن تستخدم في مثل هذه الطريقة التي الكلاسيكية لا يمكن أن – على سبيل المثال ، في الحوسبة الكمومية ، حيث البيانات متاح فقط إلى المتلقي.

هل النقل الكوانتي ، عدم اليقين من حيث المبدأ ؟ في الماضي فكرة تحريك تخاطر لم يكن على محمل الجد ينظر إليها من قبل العلماء لأنه كان يعتبر أنه ينتهك مبدأ حظر أي قياس أو عملية المسح لاسترداد كافة المعلومات من ذرة أو كائن آخر. وفقا مبدأ عدم اليقين ، أكثر دقة هو كائن الممسوحة ضوئيا ، وأكثر ما يتأثر عملية المسح حتى يتم الوصول إلى نقطة عندما الأولية الدولة الكائن منزعجة إلى حد أنه لم يعد يمكنك الحصول على معلومات كافية لخلق صورة طبق الأصل. يبدو مقنعا: إذا كان أحد لا يمكن استخراج المعلومات من كائن إنشاء نسخة كاملة, جعل الأخير لا يمكن أن يكون.

Quantum teleportation for dummies

ولكن ستة العلماء (تشارلز بينيت ، جيل براسارد ، كلود Krepo ريتشارد جوس, آشر بيريز ، ويليام ووترز) وجدت طريقة للتغلب على هذا المنطق ، باستخدام الشهير متناقض ميزة ميكانيكا الكم يعرف باسم تأثير أينشتاين-بودولسكي-روزين. وجدوا طريقة مسح بعض المعلومات teleportirovat كائن ، وما تبقى غير مؤكدة جزء من التأثير المذكور أعلاه على أن يتم تحويلها إلى كائن آخر ، في اتصال مع و لم يسكن.

في المستقبل, من خلال تطبيق C أثر اعتمادا على المعلومات الممسوحة ضوئيا يمكن إدخالها في الدولة أثناء المسح. نفسها وليس في الشرط كما تغيرت تماما قبل المسح ، لذلك ما تم تحقيقه هو تحريك تخاطر, لا النسخ المتماثل.

النضال من أجل مجموعة

• أولا quantum teleportation أجريت في عام 1997 تقريبا في وقت واحد من قبل الباحثين من جامعة إنسبروك و جامعة روما. أثناء التجربة الأولي الفوتون مع الاستقطاب, و واحد من زوج من الفوتونات المتشابكة تم تعديل بحيث الفوتون الثاني من تلقى الاستقطاب من المصدر. في هذه الحالة, كل الفوتونات كانت على مسافة من بعضها البعض.
• في عام 2012 ، أخذت آخر quantum teleportation (الصين ، جامعة العلوم والتكنولوجيا) من خلال بحيرة جبال الألب على بعد 97 كم. فريق من العلماء من شنغهاي بقيادة خوان Einem تمكنت من تطوير استهداف آلية تمكين بدقة تركيز شعاع.
• في سبتمبر من نفس العام عقدت سجل quantum teleportation على بعد 143 كم النمساوية العلماء من أكاديمية العلوم, النمسا وجامعة فيينا تحت إشراف انطون Zeilinger قد تنتقل بنجاح الكم الدول بين جزر الكناري من لا بالما تينيريفي. في التجربة كنا اثنين البصرية خطوط الاتصالات في الفضاء المفتوح ، الكم و الكلاسيكية, التردد غير مترابطة الاستقطاب-متشابكة الفوتون أزواج مصادر sverkhnizkochastotnye واحد الفوتون كاشفات بالإضافة إلى مزامنة الساعة.
• في عام 2015 ، الباحثون من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا لأول مرة نقل المعلومات علىالمسافة أكثر من 100 كلم من الألياف البصرية. وقد أصبح هذا ممكنا بفضل إنشاؤها في معهد واحد الفوتون كشف فائقة التوصيل باستخدام أسلاك الموليبدينوم silicide.

فمن الواضح أن مثالية الكم النظام أو التكنولوجيا لا توجد حتى الآن و الاكتشافات الكبرى من مستقبل لم يأت بعد. ومع ذلك ، يمكنك محاولة لتحديد المرشحين المحتملين لتطبيقات محددة من تحريك تخاطر. مناسبة إلى التهجين في ظل حالة من متوافق مع قواعد وأساليب قد توفر الواعدة مستقبلا quantum teleportation وتطبيقاتها.

مسافة قصيرة

تحريك تخاطر عبر مسافات قصيرة (تصل إلى 1 m) كما الفرعي من الحوسبة الكمومية المنظور على أجهزة أشباه الموصلات والتي هي الدائرة وهو المطلوب. على وجه الخصوص, التوصيل المكدسة transmongolia يمكن أن تضمن درجة عالية من الدقة و حتمية تحريك تخاطر في رقاقة. كما أنها تسمح تغذية مباشرة في الوقت الحقيقي ، الذي يبدو إشكالية الضوئية على رقائق. بالإضافة إلى أنها توفر المزيد من بنية قابلة للتطوير و تحسين إدماج التكنولوجيات القائمة بالمقارنة مع المقاربات السابقة ، مثل القبض على أيونات. حاليا والعيب الوحيد من هذه الأنظمة ، على ما يبدو ، هو محدودية الوقت التماسك (<100 ميكرو ثانية). هذه المشكلة يمكن حلها عن طريق دمج نظام وهو المطلوب مع أشباه الموصلات تدور الفرقة الذكريات (النيتروجين-استبدال الوظائف الشاغرة أو مخدر مع العناصر الأرضية النادرة بلورات) ، والتي قد توفر طويلة الوقت التماسك الكم تخزين البيانات. حاليا هذا التطبيق هو موضوع الكثير من الجهد من قبل المجتمع العلمي.

المدينة اتصال

النقل الفضائي الرابط في حجم المدينة (على بعد كيلومترات قليلة) يمكن تطويرها باستخدام البصرية وزارة الدفاع. في منخفض بما فيه الكفاية خسائر هذه النظم توفر سرعة عالية عرض النطاق الترددي. ويمكن تحجيمها من تطبيقات سطح المكتب إلى متوسطة المدى التشغيل عن طريق الهواء أو الألياف البصرية ، مع إمكانية التكامل مع الفرقة الكم الذاكرة. مسافات أطول ، ولكن مع انخفاض سرعات يمكن تحقيقه باستخدام نهج الهجين, أو من خلال وضع جيد الراسبين على أساس naguszewski العمليات.

اتصال

لمسافات طويلة quantum teleportation (أكثر من 100 كم) هي منطقة نشطة, ولكن لا يزال يعاني من المشكلة. المكدسة الاستقطاب – أفضل شركات الطيران منخفضة سرعة تحريك تخاطر على الألياف البصرية وخطوط طريق الهواء ، ولكن حاليا البروتوكول هو احتمالي نظرا لعدم اكتمال الكشف عن بيلا.

على الرغم من الاحتمالية تحريك تخاطر و تشابك مقبول المهام مثل تشابك التقطير و الكم التشفير, ولكن هذا هو واضح مختلفة من الاتصالات في إدخال المعلومات يجب الحفاظ عليها تماما.

إذا كنت تعتمد هذه الاحتمالية ، ثم قنوات التنفيذ في الوصول إلى التكنولوجيا الحديثة. بالإضافة إلى دمج تتبع أساليب المشكلة الرئيسية هي ارتفاع الخسائر الناجمة عن انتشار شعاع. هذا يمكن تجاوزها في التكوين حيث التشابك يتم توزيعها من الأقمار الصناعية التلسكوبات الأرضية مع فتحة كبيرة. على افتراض فتحة قنوات 20 سم في 600 كلم والارتفاع 1-m فتحة تلسكوب على الأرض, هل يمكن أن نتوقع حوالي 75 ديسيبل من الخسائر في القناة الهابطة التي هي أقل من 80 ديسيبل فقدان على مستوى الأرض. تطبيق &ldquo ؛ الأرض-القمر الصناعي" أو “سبوتنيك Sputnik" أكثر تعقيدا.

الذاكرة الكم

في المستقبل استخدام تحريك تخاطر كجزء لا يتجزأ من تحجيم الشبكة مباشرة تعتمد على التكامل مع الكم الذاكرة. يجب أن تكون ممتازة من وجهة نظر كفاءة تحويل واجهة "الإشعاع المسألة", دقة تسجيل القراءة وقت التخزين وعرض النطاق الترددي عالية السرعة وسعة التخزين. أولا وقبل كل شيء, وسوف تسمح لك لاستخدام الراسبين لتوسيع الاتصالات بعد نقل مباشر مع استخدام رموز تصحيح الخطأ. تطوير الذاكرة الكم ليس فقط لتوزيع التشابك على شبكة النقل الفضائي والاتصالات ، ولكن أيضا متماسك معالجة المعلومات المخزنة. في نهاية المطاف, وهذا يمكن تحويل الشبكة في جميع أنحاء العالم توزيعها الكمبيوتر الكم أو في المستقبل على أساس الكم الإنترنت.

التنمية المتقدمة

الذرية الفرق تعتبر تقليديا جذابة بسبب كفاءة تحويل ‘ضوء المسألة” و ميلي ثانية واحدة تخزين الأوقات التي يمكن أن تحقق 100 MS المطلوبة انتقال الضوء على نطاق عالمي. ومع ذلك ، فإن أكثر واعدة التطورات المتوقعة اليوم على أساس من أشباه الموصلات النظم ، حيث ممتازة تدور الفرقة الكم الذاكرة مباشرة يتكامل مع تحجيم المخططات المعمارية وهو المطلوب. هذه الذاكرة لا يمكن إلا أن تمديد الوقت التماسك من الدائرة وهو المطلوب ، ولكن أيضا لتوفير بصري-ميكروويف واجهة interconversion البصرية السلكية واللاسلكية ، رقاقة ميكروويف الفوتونات.

وهكذا المستقبل اكتشافات العلماء في مجال الكم المحتمل أن يكون الإنترنت على أساس لمسافات طويلة الاتصالات البصرية ، إلى جانب مكونات أشباه الموصلات لتجهيز الكم من المعلومات.