Quantenteleportation: die großen Entdeckungen von Wissenschaftlern-Physikern

Quanten-Teleportation ist eine der wichtigsten Protokolle in der Quanteninformation. Basierend auf der physischen Ressource Verschränkung, es dient als das wichtigste Element der verschiedenen it-Aufgaben und stellt einen wichtigen Bestandteil der Quanten-Technologien spielen eine Schlüsselrolle in der weiteren Entwicklung des Quanten-Computing, Netzwerke und Kommunikation.

Von der Science Fiction bis zur Eröffnung der Gelehrten

Es ist schon mehr als zwei Jahrzehnte seit der Entdeckung der Quanten-Teleportation, das ist vielleicht eine der interessantesten und spannendsten Folgen der „Fremdheit» Quantenmechanik. Wie wurden diese großen Entdeckungen, die Idee gehörte dem Bereich der Science Fiction. Zum ersten mal erfunden 1931 von Charles H. Fort der Begriff „Teleport» seitdem wird für die Bezeichnung des Prozesses, durch den Körper und Objekte werden von einem Ort zum anderen, eigentlich nicht die überwindung der Distanz zwischen Ihnen.

Im Jahr 1993 erschien ein Artikel mit der Beschreibung des Protokolls Quanteninformation, genannt „Quantum Teleportation», teilte die mehrere der oben aufgeführten Symptome. In ihm unbekannter Zustand des physischen Systems gemessen und anschließend wiedergegeben oder „re geht» an einem entfernten Ort (physische Elemente bleiben im Quellsystem Ort der übergabe). Dieser Prozess erfordert den klassischen Mitteln der Kommunikation und schließt сверхсветовую Kommunikation. Für ihn erfordert Ressourcen zu planen. Eigentlich Teleportation kann als Protokoll Quanteninformation, die am deutlichsten zeigt das der Verwirrung: ohne seine Anwesenheit ist der Status der übertragung nicht möglich gewesen wäre, im Rahmen der Gesetze, die die Quantenmechanik beschreibt.

Teleportation spielt eine aktive Rolle in der Entwicklung der Informationswissenschaft. Einerseits ist es ein Konzept-Protokoll spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung der formalen Quantentheorie der Information, und andererseits er ist eine grundlegende Komponente vieler Technologien. Quanten-Repeater – ein zentrales Element der Kommunikation über große Entfernungen. Teleportation Quanten-Schalter, Berechnungen auf der Grundlage von Messungen und Quanten-Netzwerke – alle sind von Ihr abgeleitet. Es wird verwendet, und als ein einfaches Werkzeug für die Studie „Extreme” Physik, über die temporäre Kurven und verdampfen von schwarzen Löchern.

Heute Quantenteleportation in Labors bestätigt auf der ganzen Welt mit einer Vielzahl von verschiedenen Substraten und Technologien, einschließlich Photonische cubits, Kernspinresonanz, optische Maud, Gruppen von Atomen, Atome gefangen und Halbleiter-Systeme. Herausragende Ergebnisse wurden erzielt im Bereich der Reichweite der Teleportation, kommen Experimente mit Satelliten. Darüber hinaus, wurde versucht, die Skalierung bis hin zu komplexeren Systemen.

Teleportation cubits

Quantenteleportation wurde erstmals beschrieben für Duplex-Systeme, so genannte cubits. Protokoll betrachtet die zwei entfernte Parteien, genannt Alice und BOB, die gemeinsam die 2 кубита, A und B, die sich in einem reinen verwirrten Zustand, auch als ein paar von Bella. Am Eingang Alice wird noch ein Qubit, dessen Zustand ρ unbekannt. Dann führt Sie eine gemeinsame Quanten-Dimension, die so genannte Entdeckung der Bella. Es trägt a und A in einem der vier Zustände Bella. Als Folge der Zustand der Eingangs-кубита bei der Messung von Alice verschwindet, und das Qubit von BOB B gleichzeitig projiziert auf P^†_KρP_K. Im letzten Schritt des Protokolls Alice sendet klassische BOB das Ergebnis Ihrer Messung, das die Pauli-Operator P_K zur Wiederherstellung des ursprünglichen ρ.

Ausgangszustand кубита Alice gilt als unbekannt, da sonst das Protokoll kommt auf seine Remote-Messung. Außerdem wird es selbst kann Teil eines größeren zusammengesetzten Aufteilung des Systems mit einem Dritten (in diesem Fall eine erfolgreiche Teleportation erfordert die Wiedergabe aller Korrelationen mit dieser Dritten Partei).

Ein Typisches Experiment zur Quantenteleportation nimmt den ursprünglichen Zustand sauber und Zugehörigkeit zu einer limitierten alphabetischer Reihenfolge, zum Beispiel, sechs abschaltbar Bloch-Sphäre. In Anwesenheit von dekohärenz Qualität des rekonstruierten Zustand kann quantitativ ausgedrückt Genauigkeit Teleportation F ∈ [0, 1]. Ist die Genauigkeit zwischen den Status von Alice und BOB, gemittelt über alle Ergebnisse der Erfassung Bella und ursprünglichen Alphabet. Bei kleinen Werten für Präzision gibt es Methoden, die eine unvollkommene Teleportation ohne die Verwendung von komplizierten Ressource.Z. B. Alice kann direkt Messen Grundzustand, indem Sie die Ergebnisse BOB für die Vorbereitung des resultierenden Zustands. Eine solche Strategie der Messung-Ausbildung als „klassischen Teleportation». Es hat eine maximale Genauigkeit von F_Class = 2/3 für direkten Input-Status, was gleichbedeutend mit dem Alphabet gegenseitig несмещенных Zustände, wie beispielsweise sechs Pole Bloch-Sphäre.

So ein deutliches Symptom für die Nutzung der Quanten-Ressourcen ist die Bedeutung der Genauigkeit F> F_Class.

Nicht кубитом eins

Wie behauptet die Quantenphysik, Teleportation beschränkt sich nicht auf кубитами, Sie kann sowohl mehrdimensionale Systeme. Für jedes endliche Dimension d kann formuliert perfektes System für die Teleportation, mit der Basis möglichst komplizierte Vektoren Zustände, die erhalten werden kann aus einer vorgegebenen maximal verwirrten Zustand der Grundlinie und {U_K} einheitlichen Betreiber, die tr(U^†_J U_K) = dδ_J,k. Ein solches Protokoll können Sie bauen für jeden конечноразмерного гильбертового Raum der sogenannten diskret-Variablen Systeme.

Außerdem Quantenteleportation verteilt und auf unendliche Systeme mit гильбертовым Raum, die sogenannten kontinuierlich Variablen Systemen. In der Regel werden Sie umgesetzt optischen бозонными mods, denen das elektrische Feld beschreiben kann квадратурными Operatoren.

Die Geschwindigkeit und die Unschärferelation

Was ist die Geschwindigkeit bei der Quanten-Teleportation? Die Weitergabe ist auf die Geschwindigkeit ähnlich der Geschwindigkeit der übertragung der gleichen Anzahl von klassischen – vielleicht mit der Geschwindigkeit des Lichts. Theoretisch kann es in dieser Weise verwendet werden, wie klassische nicht kann – zum Beispiel in der Quanten-Computing, wo die Daten stehen nur dem Empfänger.

Bricht ob Quantenteleportation Unschärferelation? In der Vergangenheit die Idee der Teleportation nicht sehr ernst Wissenschaftlern wahrgenommen, weil man glaubte, dass es verstößt gegen den Grundsatz zum Verbot jeder nennmessbereich oder сканирующему Prozess des Entfernens alle Informationen eines atoms oder eines anderen Objekts. In übereinstimmung mit dem Prinzip der Unsicherheit, je genauer ein Objekt gescannt wird, desto größer ist der Einfluss auf den scan-Vorgang, bis der Punkt erreicht ist, wenn der ursprüngliche Zustand des Objekts in einem Ausmaß gestört, dass nicht mehr erhalten genügend Informationen zum erstellen eines exakten Duplikats. Es klingt überzeugend: wenn eine Person kann extrahieren von Informationen aus einem Objekt eine perfekte Kopie zu erstellen, wird dann der Letzte sein kann.

Quantum Teleportation für Dummies

Aber sechs Wissenschaftler (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude W, Richard Джоса, Asher Peres und William Вутерс) einen Weg gefunden, diese Logik zu umgehen, verwenden die berühmte und paradoxe Besonderheit der Quantenmechanik, bekannt als die Wirkung der Einstein-Podolsky-Rosen. Sie haben einen Weg gefunden, Scannen Sie den Teil der Informationen телепортируемого Objekt A, und der Rest ungeprüfter Teil mittels des erwähnten Effekts zu einem anderen Objekt, in Kontakt mit Und nie пребывавшему.

Weiter, durch die Anwendung einer C-Exposition, abhängig vom abgefragten Informationen eingeben Und in einen Zustand vor dem Scannen. Selbst Und nicht mehr in dem Zustand, da komplett geändert scan-Prozess, so ist durch Teleportation erreicht, und nicht die Replikation.

Der Kampf um Reichweite

• Die Erste Quantenteleportation wurde im Jahr 1997 fast gleichzeitig von Forschern der Universität Innsbruck und der Universität Rom. Während des Experimentes die ursprüngliche Photon mit Polarisation, und ein paar von komplizierten Photonen wurden geändert, so dass das zweite Photon erhielt ursprünglichen Polarisation. Bei diesem Photon beide befanden sich in einem Abstand voneinander.
• Im Jahr 2012 fand ein weiterer Quanten-Teleportation (China University of Science and Technology) durch Hochgebirgssee auf eine Entfernung von 97 km. ein Team von Wissenschaftlern aus Shanghai angeführt von Juan Иинем entwickeln konnte suggestiven Mechanismus, welcher erlaubt genau ein Bündel von Zielen.
• Im September des gleichen Jahres wurde ein Rekord Quanten-Teleportation auf 143 km entfernt Österreichische Wissenschaftler von der österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien unter der Leitung von Anton Цайлингера erfolgreich übergeben Quanten-Zustände zwischen den beiden Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa. Im Experiment wurden zwei optische Linien der Kommunikation in einem offenen Raum, квантумная und klassische, Zeit-Frequenz некоррелированная Polarisation paar Wirren Photonen-Quellen, сверхнизкошумные однофотонные Detektoren und verkettet-Takt-Synchronisierung.
• Im Jahr 2015 Forscher der US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology zum ersten mal produzierten die übertragung von Informationen aufEntfernung mehr als 100 km über Glasfaser. Dies wurde möglich durch die am Institut für однофотонным Detektoren, die supraleitenden нанопровода aus Molybdän-silizid.

Es ist Klar, dass die ideale Quanten-Systeme oder die Technologie existiert noch nicht und die großen Entdeckungen der Zukunft noch kommen. Sie können jedoch versuchen, die möglichen Kandidaten zu bestimmen in spezifischen Anwendungsbereichen Teleportation. Geeignetes deren Hybridisierung, sofern eine kompatible Basis und Methoden kann die vielversprechende Zukunft für die Quanten-Teleportation und Ihre Anwendungen.

Kurze Strecken

Teleportation über kurze Strecken (bis 1 km) als Subsystem der quanteninformatik sehr aussichtsreich auf Halbleiter-Geräten, die beste von denen ist ein Diagramm der QED. Insbesondere supraleitende трансмоновые кубиты garantieren können deterministische und hochgenaue Teleportation auf dem Chip. Sie erlauben auch eine direkte Zuführung in Echtzeit, die problematisch sieht auf photonischen Chips. Darüber hinaus bieten Sie eine skalierbare Architektur und eine bessere Integration bestehender Technologien im Vergleich zu früheren Ansätzen, wie der eingefangenen Ionen. Derzeit der einzige Nachteil dieser Systeme offenbar ist Ihre begrenzte Zeit Kohärenz (<100 ľs). Dieses Problem kann man mit Hilfe der Integration des Schemas QED mit Halbleiter-Spin-ансамблевыми Erinnerungen (mit Stickstoff-freie stellen oder substituiert легированными seltenen Erden Elementen Kristallen), die eine längere Zeit der Quanten-Kohärenz der Speicherung von Daten. Derzeit diese Implementierung ist Gegenstand der Anlage der großen Anstrengungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

In der Stadt

Телепортационная Kommunikation auf der Skala der Stadt (ein paar Kilometer) könnte gestaltet werden mit der Verwendung von optischen mod. Bei ausreichend niedrigen Verlusten diese Systeme bieten eine hohe Geschwindigkeit und Breite der Streifen. Sie können erweitert werden von Desktop-Implementierungen bis hin zu Systemen mittlerer Reichweite, die durch den äther oder Glasfasern, mit einer möglichen Integration mit ансамблевой Quanten-Speicher. Weitere Distanzen, aber mit niedrigeren Geschwindigkeiten können erreicht werden mit Hilfe des Hybrid-Ansatzes oder durch die Entwicklung von guten Verstärkern, die auf негауссовских Prozessen.

Entfernteste Verbindung

Fern-Quanten-Teleportation (über 100 km) ist die aktive Fläche, aber immer noch leidet unter offenen Probleme. Кубиты Polarisation – die besten Medien für langsame Teleportation nach einem langen Kommunikations-und Glasfaser-Leitungen durch den äther, aber derzeit probabilistischen Protokoll ist wegen der unvollständigen Erfassung Bella.

Obwohl die probabilistische Teleportation und Verschränkung sind für solche Aufgaben, wie Destillation Verschleierung und Quanten-Kryptographie, aber es unterscheidet sich deutlich von der Kommunikation, in der die Eingangsinformationen müssen vollständig gespeichert.

Wenn Sie diesen wahrscheinlichen Charakter, Satelliten-Umsetzung sind innerhalb der Reichweite von modernen Technologien. Neben der Integration von Tracking-Methoden, das Hauptproblem sind die hohen Verluste durch расплыванием Strahl. Dies kann überwunden werden in der Konfiguration, wo die Beteiligung verteilt vom Satelliten bis bodengebundenen Teleskopen mit großer öffnung. Unter der Annahme öffnung des Satelliten in 20 cm bei 600 km Höhe und 1-m-Blende Teleskop auf der Erde, können Sie erwarten, etwa 75 dB Verluste im Downlink-Kanal, weniger als 80 dB Verlust auf der Ebene der Erde. Umsetzung „Erde-Satellit“ oder „Sputnik-Satellit” sind mehr als Komplex.

Quantum Speicher

Die künftige Nutzung von Teleportation als Bestandteil der skalierbaren Netzwerks hängt direkt von Ihrer Integration mit dem Quanten Gedächtnis. Last soll über die besten, in Bezug auf Effizienz Conversion-Schnittstelle „Strahlung-Materie», Präzision schreiben und Lesen, Zeit, Speicher und Bandbreite, hohe Geschwindigkeit und Speicherkapazität. In Erster Linie ist es erlaubt den Einsatz von Repeatern zur Erweiterung der Kommunikation weit über die direkte übertragung mit der Verwendung von Fehlerkorrektur-Codes. Die Entwicklung guter Quanten-Speicher würde nicht nur zu verteilen Kabelgewirr über das Netzwerk und телепортационную Kommunikation, sondern auch zusammenhängend gespeicherten Informationen verarbeiten. Letztlich könnte dies wiederum ein Netz weltweit verteilter Quantencomputer oder die Basis für zukünftiges Quanten-Internet.

Weiterentwicklung

Die Atomaren Ensembles traditionell als attraktiv wegen Ihrer effektiven Umwandlung von „Licht-Materie“ und deren миллисекундных Aufbewahrungsfristen, die bis zu 100 MS, die für die übertragung von Licht auf globaler Ebene. Dennoch viel versprechende Entwicklung heute voraussichtlich auf der Basis von Halbleiter-Systemen, wo ein tolles Spin-ансамблевая Quanten-Speicher direkt integriert mit einer skalierbaren Architektur Schema QED. Dieser Speicher kann nicht nur verlängern die Kohärenz Kette QED, sondern bieten auch optisch-eine Schnittstelle für die Umwandlung der optisch-Telekommunikations-undChip Mikrowellen-Photonen.

Also, zukünftige Entdeckungen der Wissenschaftler im Bereich der Quanten-Internet, wahrscheinlich basieren auf der entfernten optischen Kommunikation, mit gekoppelten Halbleiter-Knoten für die Verarbeitung von Quanteninformation.