Teleportacja kwantowa: wielkie odkrycia naukowców-fizyków

Teleportacja Kwantowa jest jednym z najważniejszych protokołów w kwantowej informacji. Opierając się na fizycznym zasobie zaangażowanie, służy ona głównym elementem różnych zadań informacyjnych i stanowi ważną część kwantowych technologii, grając kluczową rolę w dalszym rozwoju kwantowych obliczeń, sieci i komunikacji.

Od science fiction do odkrycia naukowców

Minęły już ponad dwie dekady od momentu otwarcia teleportacji kwantowej, która, być może, jest jednym z najbardziej interesujących i ekscytujących skutków «dziwactwa» mechaniki kwantowej. Do tego jak zostały wykonane te wielkie otwarcia, ten pomysł należał do dziedziny science fiction. Po raz pierwszy wymyślony w 1931 r. Charles H. Fort termin óteleportacja» od tego czasu jest używany do określenia procesu, za pomocą którego ciała i obiekty są przenoszone z jednego miejsca do drugiego, w rzeczywistości nie pokonując odległość między nimi.

W 1993 roku ukazał się artykuł z opisem protokołu informacji kwantowej, która uzyskała tytuł óteleportacja kwantowa», który podzielił kilka z wyżej wymienionych objawów. W nim nieznane stan układu fizycznego jest mierzona, a następnie odtwarzane lub óre gonna» w lokalizacji zdalnej (fizyczne elementy systemu źródłowego pozostają w miejscu transmisji). Proces ten wymaga klasycznych środków komunikacji i wyklucza сверхсветовую komunikację. Dla niego jest niezbędny zasób zamieszanie. W rzeczywistości teleportację można traktować jako protokół informacji kwantowej, który jest najbardziej wyraźnie pokazuje charakter zaangażowania: bez jego obecności taki stan transferu nie byłoby możliwe w ramach prawa, którymi opisuje mechanika kwantowa.

Teleportacja odgrywa aktywną rolę w rozwoju nauki o informacji. Z jednej strony jest to koncepcyjny protokół, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju formalnej teorii kwantowej informacji, a z drugiej jest on podstawowym składnikiem wielu technologii. Kwantowy repeater ó kluczowy element komunikacji na duże odległości. Teleportacja kwantowa przełączników, obliczenia na podstawie pomiarów i kwantowe sieci – wszystkie są jej pochodne. Jest ona wykorzystywana jako prostego narzędzia do nauki «extreme» fizyki, dotyczących tymczasowych krzywych i parowania czarnych dziur.

Dzisiaj teleportacja kwantowa potwierdzone w laboratoriach na całym świecie, z wykorzystaniem różnych substratów i technologii, w tym fotonicznych kolekcjonerzy, jądrowego rezonansu magnetycznego, optycznego mod, grup atomów, atomów uwięzionych i półprzewodnikowych układów. Wybitne rezultaty zostały osiągnięte w obszarze zasięgu teleportacji, stoją eksperymenty z satelitami. Ponadto, rozpoczęły się próby powiększenia do bardziej złożonych systemów.

Teleportacja kolekcjonerzy

Teleportacja Kwantowa została po raz pierwszy opisana dla dwupoziomowych systemów, tzw. kolekcjonerzy. Protokół rozważa dwie odległe strony, dalej Alicją i Bobem, które dzielą 2 кубита, A i W, znajdujące się w czystym niejasnym stanie, zwane również parą Bella. Na wejściu Alicji stosowany jeszcze jeden kubit a, którego stan ρ nieznany. Następnie wykonuje wspólne kwantowy pomiar, zwane wykryciem Bella. Ja toleruje a i A w jednym z czterech stanów Bella. W rezultacie stan wejścia кубита Alicji podczas pomiaru znika, a kubit Boba B jednocześnie przewidywane na P^†_KρP_K. Na ostatnim etapie protokołu Alicja przekazuje klasyczny wynik jej pomiaru Boba, który stosuje operator Pauli P_K, aby przywrócić oryginalną ρ.

Stan Początkowy кубита Alicji jest nieznane, ponieważ w przeciwnym wypadku protokół sprowadza się do zdalnego pomiaru. Ponadto, jest ono samo w sobie może być częścią większego częścią systemu, podzielony z osobą trzecią (w tym przypadku udana teleportacja wymaga odtwarzania wszystkich korelacji z tej strony trzeciej).

Typowy eksperyment teleportacji kwantowej przyjmuje pierwotnego stanu czyste i należących do ograniczonej alfabetu, na przykład, sześciu polaków sfery Blocha. W obecności декогеренции jakość przebudowie stanu może być wyrażona ilościowo dokładnością teleportacji F ∈ [0, 1]. To precyzja między stanami Alicji i Boba, uśrednione dla wszystkich wyników wykrywania Bella i oryginalnego alfabetu. Przy małych wartościach dokładności istnieją metody, które pozwalają spędzić niedoskonałe teleportację bez użycia skomplikowanych zasobu.Na przykład, Alicja można bezpośrednio zmierzyć swój pierwotny stan, wysyłając wyniki Boba do przygotowania finalnego stanu. Taką strategię pomiaru-przygotowania nazywają «klasycznej teleportacji». Ona ma maksymalną dokładność F_Class = 2/3 dla dowolnego stanu wejściowego, co jest równoznaczne z alfabetu wzajemnie несмещенных stanów, takich jak sześć biegunów sfery Blocha.

W Ten sposób, z wyraźnym symptomem wykorzystania kwantowych zasobów jest wartość dokładności F> F_Class.

Nie кубитом pojedynczego

- Jak twierdzi fizyka kwantowa, teleportacja nie ogranicza się do кубитами, może obejmować wielowymiarowe systemu. Dla każdego końcowego pomiaru d można sformułować idealny program do teleportacji za pomocą podstawa maksymalnie splątanych wektory stanu, który może być otrzymany z danego najbardziej skomplikowanym stanu i linii końcowej {U_K} operatorów unitarnych, które spełniają tr(U^†_J U_K) = dδ_J,k. Taki protokół można zbudować dla każdego конечноразмерного гильбертового przestrzeni tzw. dyskretnie-zmiennych systemów.

Ponadto, teleportacja kwantowa może rozprzestrzeniać się na system z бесконечномерным гильбертовым przestrzenią, zwanymi w sposób ciągły-zmiennymi systemami. Zazwyczaj są one realizowane optyczne бозонными modami, pole elektryczne, które można opisać квадратурными operatorami.

Prędkość i zasada nieoznaczoności

Jaka jest prędkość przy teleportacji kwantowej? Informacje przekazywane są do prędkości podobnej prędkości transmisji samej ilości klasycznej – być może, z prędkością światła. Teoretycznie może ona być wykorzystana w taki sposób, w jaki klasyczna nie może – na przykład w obliczeniach kwantowych, gdzie dane są dostępne tylko do odbiorcy.

Czy nie Łamie teleportacja kwantowa zasada nieoznaczoności? W zeszłym pomysł teleportacji nie bardzo poważnie postrzegane przez naukowców, ponieważ uważano, że jest to pogwałcenie zasady zakazujące jakiejkolwiek pomiarowego lub skanowania procesu usuwać wszystkie informacje atomu lub innego obiektu. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, dokładniej obiekt jest skanowany, tym więcej na niego wpływa proces skanowania, dopóki nie zostanie osiągnięty punkt, kiedy pierwotnego stanu obiektu jest uszkodzony do tego stopnia, że nie można już uzyskać wystarczającej ilości danych do tworzenia dokładnej kopii. To brzmi przekonująco: jeśli człowiek nie może pobrać informacje z obiektu do tworzenia idealnej kopii, to najnowsza wykonana być nie może.

Teleportacja Kwantowa dla opornych

Ale sześć naukowców (Charles Bennett, Gilles Брассар, Claude Крепо, Richard Джоса, Usher Perez i William Wooters) znaleźli sposób na ominięcie tej logiki, za pomocą słynną i paradoksalnej cechą mechaniki kwantowej, znaną jako efekt Einsteina-Podolskiego-Rosena. Oni znaleźli sposób, aby zeskanować część informacji телепортируемого obiektu A, a resztę niesprawdzone część za pomocą wspomnianego efektu przenieść do innego obiektu, w kontakcie z A nigdy nie przebywa.

W przyszłości, poprzez zastosowanie do C oddziaływania, niezależnie od wybranego przez ciebie informacji, można wprowadzić w stan A do skanowania. Sam już nie w tym stanie, tak jak w całości zmieniany procesem skanowania, więc osiągnięte jest teleportacji, a nie replikacją.

Walka o zasięg

• Pierwsza teleportacja kwantowa została przeprowadzona w 1997 r. niemal równocześnie przez naukowców z Uniwersytetu w Innsbrucku i Uniwersytetu w Rzymie. Podczas eksperymentu oryginalny foton, który ma polaryzacji, i jeden z pary splątanych fotonów uległy zmianie w ten sposób, że drugi foton otrzymał polaryzację źródłowego. Przy tym oba fotonu znajdowały się w odległości od siebie.
• W 2012 r. odbyła się kolejna teleportacja kwantowa (Chiny, Uniwersytet nauki i technologii) przez górskie jezioro w odległości 97 km. Zespół naukowców z Szanghaju, na czele z Juanem Иинем udało się stworzyć sugestywny mechanizm, który pozwolił precyzyjnie kierować wiązki.
• We wrześniu tego samego roku odbyła się rekordowa kwantowa teleportacja na 143 km Austriaccy naukowcy z Akademii nauk Austrii i Uniwersytetu w Wiedniu pod kierunkiem Antona Цайлингера pomyślnie przekazali kwantowe stanu między dwoma wyspami kanaryjskimi La Палма i Teneryfa. W eksperymencie wykorzystano dwa optyczne linii komunikacyjnych na otwartej przestrzeni, квантумная i klasyczna, przetwornik częstotliwości некоррелированная polaryzacji splątane pary fotonów-źródeł, сверхнизкошумные однофотонные detektory i łączone zegara synchronizacja.
• W 2015 r. naukowcy z amerykańskiego Narodowego instytutu standardów i technologii po raz pierwszy produkowali przekazywanie informacji naodległość ponad 100 km na włókno. Jest to możliwe dzięki utworzonych w instytucie однофотонным детекторам, wykorzystujący сверхпроводящие нанопровода z силицида molibdenu.

Jasne, że idealnym kwantowej systemu lub technologii nie istnieje i wielkie odkrycia przyszłości jeszcze przed nami. Można jednak spróbować określić potencjalnych kandydatów w konkretnych zastosowaniach teleportacji. Odpowiednia ich hybrydyzacja, pod warunkiem zgodnej z bazy i metod może zapewnić najbardziej obiecującą przyszłość dla teleportacji kwantowej i jej zastosowań.

Krótkie dystanse

Teleportacja na krótkie odległości (do 1 m) jako podsystem kwantowych obliczeń перспективна na urządzeniach półprzewodnikowych, najlepszym z nich jest schemat QED. W szczególności, сверхпроводящие трансмоновые pozdrawiamy mogą zagwarantować детерминированную i precyzyjną teleportację na chipie. One również pozwalają na bezpośredni przepływ w czasie rzeczywistym, która wygląda problematyczne na fotonicznych żetony. Ponadto, są one zapewniają skalowalną architekturę i lepszą integrację istniejących technologii w porównaniu z poprzednimi seriami, takimi jak zrobione jony. Obecnie jedyną wadą tych systemów, najwyraźniej, jest ich ograniczony czas spójności (<100 µs). Ten problem może być rozwiązany za pomocą całkowania schematu QED z przekaźnikowi spin-ансамблевыми komórkami pamięci (npk zastępczą ofertami pracy lub легированными pierwiastków ziem rzadkich elementami kryształów), które mogą zapewnić długi czas spójności dla kwantowego przechowywania danych. Obecnie ta realizacja jest przedmiotem aplikacji o dużych wysiłków społeczności naukowej.

Miejska komunikacja

Телепортационная komunikacja w skali miasta (kilka kilometrów) mogłaby być opracowane z wykorzystaniem optycznych mod. Przy dość niskich stratach systemy te zapewniają wysokie prędkości i szerokości pasma. Mogą one być rozszerzone od komputerów stacjonarnych implementacji do systemów średniego zasięgu, działających przez eter lub światłowód, z możliwą integracją z ансамблевой kwantowej pamięcią. Dłuższych dystansach, ale z niskimi prędkościami mogą być osiągnięte za pomocą hybrydowego podejścia lub poprzez rozwijanie dobrych wzmacniaczy opartych na негауссовских procesach.

Długa komunikacja

Międzymiastowe teleportacja kwantowa (ponad 100 km) jest obszarem aktywnym, ale nadal cierpi na otwartej problemy. Pozdrawiamy polaryzacji – najlepsze nośniki do wolnej teleportacji w długim światłowodowe linie komunikacyjne i przez eter, ale obecnie protokół jest вероятностным z powodu niekompletnego wykrywania Bella.

Chociaż вероятностная teleportacja i zaangażowanie dopuszczalne dla takich zadań, jak destylacji splątania i kwantowa kryptografia, ale to wyraźnie różni się od komunikacji, w której wejściowa informacje powinny być w pełni zachowana.

Jeśli przyjąć ten probabilistyczny charakter, telewizja realizacji znajdują się w zasięgu nowoczesnych technologii. Oprócz integracji metod śledzenia, głównym problemem są wysokie straty spowodowane расплыванием wiązki. To może być pokonana w konfiguracji, gdzie zaangażowanie rozłożone od satelity do naziemnych teleskopów o dużej aperturze. Zakładając apertury satelity 20 cm przy 600-km wysokości i 1 m przysłonę teleskopu na ziemi, można się spodziewać około 75 db strat w kanale zstępni względu, że mniej niż 80 db strat na poziomie ziemi. Realizacji «ziemia-satelita» i «satelitę-sputnik» są bardziej skomplikowane.

Kwantowa pamięć

Przyszłość użycie teleportacji jako część skalowalne sieci zależy bezpośrednio od jej integracji z kwantowej pamięcią. Najnowsza powinna posiadać doskonałe, z punktu widzenia efektywności konwersji, interfejs ópromieniowanie-materia», precyzją zapisu i odczytu, czasem przechowywania i przepustowości, dużej szybkości i pojemności pamięci masowej. W pierwszej kolejności pozwoli wykorzystać przekaźniki do rozszerzenia komunikacji daleko poza bezpośrednią transmisję z wykorzystaniem kodów korekcji błędów. Rozwój dobrej kwantowej pamięci pozwolił nie tylko zakłócać ukrywane w sieci i телепортационную komunikację, ale i spójnie przetwarzać zapisaną informację. W końcu, to może zmienić sieć na całym świecie rozproszony kwantowy komputer lub podstawę dla przyszłego kwantowego internetu.

Perspektywiczne opracowania

Atomowe zespoły tradycyjnie były uważane za atrakcyjne ze względu na ich efektywnego przekształcania «światło-materia» i ich миллисекундных terminów przechowywania, które mogą osiągnąć 100 ms, niezbędnych do transmisji światła w skali globalnej. Jednak bardziej perspektywiczne opracowania dziś spodziewany jest na bazie półprzewodnikowych układów, gdzie doskonała spin-ансамблевая kwantowa pamięć bezpośrednio integruje się z skalowalnej architekturze schematu QED. Pamięć ta nie tylko może przedłużyć czas spójności łańcucha QED, ale i zapewnić optyczno-kuchenkę interfejs dla взаимопревращения optyczno-telekomunikacyjnych ichipowej kuchenki fotonów.

W Ten sposób przyszłe odkrycia naukowców w dziedzinie kwantowego internetu, prawdopodobnie, będą oparte na dalekiej komunikacji optycznej, powiązanego z przekaźnikowi węzłami do przetwarzania informacji kwantowej.