Квантова телепортація: великі відкриття вчених-фізиків

Дата:

2019-06-02 09:30:19

Перегляди:

530

Рейтинг:

1Дизлайк 0Любити

Поділитися:

Table of contents:

Квантова телепортація є одним з найбільш важливих протоколів квантової інформації. Грунтуючись на фізичному ресурсі заплутаності, вона служить головним елементом різних інформаційних завдань і являє собою важливу складову частину квантових технологій, граючи ключову роль в подальшому розвитку квантових обчислень, мереж і комунікації.

Від наукової фантастики до відкриття вчених

Минуло вже більше двох десятиліть з моменту відкриття квантової телепортації, яка, можливо, є одним з найбільш цікавих і захоплюючих наслідків «дивацтва» квантової механіки. До того, як були зроблені ці великі відкриття, ця ідея належала області наукової фантастики. Вперше придуманий в 1931 р. Чарльзом Х. Фортом термін «телепортація» з тих пір використовується для позначення процесу, за допомогою якого тіла і об'єкти передаються з одного місця в інше, насправді не долаючи відстань між ними.

В 1993 році була опублікована стаття з описом протоколу квантової інформації, що отримав назву «квантова телепортація», який розділив декілька з перерахованих вище ознак. У ньому невідомий стан фізичної системи вимірюється і згодом відтворюється або «повторно збирається» у віддаленому місці (фізичні елементи вихідної системи залишаються в місці передачі). Цей процес вимагає класичних засобів зв'язку і виключає надсвітову комунікацію. Для нього необхідний ресурс заплутаності. Насправді телепортацію можна розглядати як протокол квантової інформації, який найбільш чітко демонструє характер заплутаності: без його присутності такий стан передачі не було б можливим у рамках законів, якими описується квантова механіка.

квантова телепортація

Телепортація відіграє активну роль у розвитку науки про інформацію. З одного боку, це концептуальний протокол, який грає вирішальну роль у розвитку формальної квантової теорії інформації, а з іншого він є фундаментальною складовою багатьох технологій. Квантовий повторювач – ключовий елемент комунікації на великі відстані. Телепортація квантових перемикачів, обчислення на основі вимірювань і квантові мережі – всі є її похідними. Вона використовується і в якості простого інструменту для вивчення «екстремальній» фізики, що стосується тимчасових кривих і випаровування чорних дір.

Сьогодні квантова телепортація підтверджена в лабораторіях у всьому світі з використанням різних субстратів і технологій, в тому числі фотонних кубітів, ядерного магнітного резонансу, оптичних мод, груп атомів, захоплених атомів і напівпровідникових систем. Видатні результати були досягнуті в області дальності телепортації, чекають експерименти з супутниками. Крім того, почалися спроби масштабування до більш складних систем.

Телепортація кубітів

Квантова телепортація була вперше описана для дворівневих систем, так званих кубітів. Протокол розглядає дві віддалені боку, іменовані Алісою і Бобом, які поділяють 2 кубіта, А і В, знаходяться в чистому заплутаному стані, також звані парою Белла. На вході Алісі дається ще один кубіт а, чий стан ρ невідомо. Потім вона виконує спільне квантове вимір, зване виявленням Белла. Воно переносить а і А в один з чотирьох станів Белла. В результаті стан вхідного кубіта Аліси при вимірюванні зникає, а кубіт Боба B одночасно проектується на РKρPK. На останньому етапі протоколу Аліса передає класичний результат її вимірювання Бобу, який застосовує оператор Паулі PK для відновлення вихідного ρ.

Початковий стан кубіта Аліси вважається невідомим, так як в противному випадку протокол зводиться до його віддаленого вимірюванню. Крім того, воно саме по собі може бути складовою частиною більш великої системи, розділеної з третьою стороною (в цьому випадку успішна телепортація вимагає відтворення всіх кореляцій з цією третьою стороною).

відкриття вчених

Типовий експеримент з квантової телепортації приймає вихідне стан чистим і належить до обмеженого алфавітом, наприклад, шести полюсів сфери Блоха. У присутності декогеренции якість реконструйованого стану може бути кількісно виражена точністю телепортації F ∈ [0, 1]. Це точність між станами Аліси і Боба, усереднені за всіма результатами виявлення Белла і вихідного алфавіту. При малих значеннях точності існують методи, що дозволяють провести недосконалу телепортацію без використання заплутаного ресурсу.Наприклад, Аліса може безпосередньо виміряти свій початковий стан, посилаючи результати Бобу для підготовки результуючого стану. Таку стратегію вимірювання-підготовки називають «класичної телепортацією». Вона має максимальну точність FClass = 2/3 для довільного вхідного стану, що еквівалентно алфавітом взаємно несмещенных станів, таких як шість полюсів сфери Блоха.

Таким чином, чіткою ознакою використання квантових ресурсів є значення точності F> FClass.

експеримент з квантової телепортації

Не кубитом єдиним

Як стверджує квантова фізика, телепортація не обмежується кубітами, вона може включати багатовимірні системи. Для кожного кінцевого виміру d можна сформулювати ідеальну схему телепортації, використовуючи базис максимально заплутаних векторів стану, який може бути отриманий з заданого максимально заплутаного стану і базису {UK} унітарних операторів, які задовольняють tr(UJ UK) = dδJ,k. Такий протокол можна побудувати для будь-якого конечноразмерного гильбертового простору т. н. дискретно-змінних систем.

Крім того, квантова телепортація може поширюватися і на системи з нескінченновимірним гильбертовым простором, званими безперервно змінними системами. Як правило, вони реалізуються оптичними бозонными модами, електричне поле яких можна описати квадратурними операторами.

Швидкість і принцип невизначеності

Яка швидкість при квантової телепортації? Інформація передається на швидкості, аналогічної швидкості передачі тієї ж кількості класичної – можливо, зі швидкістю світла. Теоретично вона може бути використана таким чином, яким класична не може – наприклад, у квантових обчисленнях, де дані доступні тільки одержувачу.

Порушує квантова телепортація принцип невизначеності? В минулому ідея телепортації не дуже серйозно сприймалася вченими, тому що вважалося, що вона порушує принцип, що забороняє будь-якому вимірювальному або скануючому процесу витягати всю інформацію атома або іншого об'єкта. У відповідності з принципом невизначеності, чим точніше об'єкт сканується, тим більше на нього впливає процес сканування, поки не буде досягнута точка, коли початковий стан об'єкта порушиться до такої міри, що більше не можна буде отримати достатньої кількості інформації для створення точної копії. Це звучить переконливо: якщо людина не може отримати відомості з об'єкта для створення ідеальної копії, то остання зроблено бути не може.

квантова фізика телепортація

Квантова телепортація для чайників

Але шість вчених (Чарльз Беннет, Жиль Брассар, Клод Крепо, Річард Джоса, Ашер Перес і Вільям Вутерс) знайшли спосіб обійти цю логіку, використовуючи знамениту і парадоксальну особливість квантової механіки, відому як ефект Ейнштейна-Подільського-Розена. Вони знайшли спосіб відсканувати частина інформації телепортируемого об'єкта А, а решту неперевірену частина допомогою згаданого ефекту передати іншому об'єкту, в контакті з А ніколи не перебував.

В подальшому, шляхом застосування до C впливу, що залежить від відсканованої інформації, можна ввести у стан А до сканування. А Сам вже не в тому стані, так як повністю змінений процесом сканування, тому досягнуте є телепортацією, а не реплікацією.

Боротьба за дальність

  • Перша квантова телепортація була проведена у 1997 р. майже одночасно вченими з Університету Інсбрука та Університету Риму. Під час експерименту вихідний фотон, що володіє поляризацією, і один з пари заплутаних фотонів піддалися зміні таким чином, що другий фотон отримав поляризацію вихідного. При цьому обидва фотона знаходилися на відстані один від одного.
  • У 2012 р. відбулася чергова квантова телепортація (Китай, Університет науки і технології) через високогірне озеро на відстань 97 км. Команді вчених з Шанхаю на чолі з Хуаном Иинем вдалося розробити наводить механізм, який дозволив точно націлити пучок.
  • У вересні того ж року була проведена рекордна квантова телепортація на 143 км. Австрійські вчені з Академії наук Австрії та Університету Відня під керівництвом Антона Цайлингера успішно передали квантові стани між двома Канарськими островами Ла Палма і Тенеріфе. В експерименті використовувалися дві оптичні лінії зв'язку на відкритому просторі, квантумная і класична, частотно некоррелированная поляризаційно заплутана пари фотонів-джерел, сверхнизкошумные однофотонные детектори і зчеплена тактова синхронізація.
  • В 2015 р. дослідники з американського Національного інституту стандартів і технології вперше зробили передачу інформації навідстань понад 100 км по оптоволокну. Це стало можливим завдяки створеним в інституті однофотонным детекторам, використовують надпровідні нанодроти з силіцидів молібдену.

квантова телепортація на 143 км австрійські вчені

Зрозуміло, що ідеальної квантової системи або технології поки не існує і великі відкриття майбутнього ще попереду. Тим не менше можна спробувати визначити можливих кандидатів у конкретних областях застосування телепортації. Відповідна їх гібридизація за умови сумісної бази і методів може забезпечити найбільш перспективне майбутнє для квантової телепортації і її застосувань.

Короткі дистанції

Телепортація на короткі відстані (до 1 м) як підсистема квантових обчислень перспективна на напівпровідникових пристроях, кращим з яких є схема QED. Зокрема, надпровідні трансмоновые кубіти можуть гарантувати детерміновану і високоточну телепортацію на чіпі. Вони також дозволяють пряму подачу в режимі реального часу, яка виглядає проблематичною на фотонних чіпах. До того ж вони забезпечують більш масштабовану архітектуру і кращу інтеграцію існуючих технологій порівняно з попередніми підходами, такими як захоплені іони. В даний час єдиним недоліком цих систем, мабуть, є їх обмежений час когерентності (<100 мкс). Ця проблема може бути вирішена за допомогою інтегрування схеми QED з напівпровідниковими спін-ансамблевими комірками пам'яті (з азотно-заміщеними вакансіями або легованими рідкісноземельними елементами кристалами), які можуть забезпечити тривалий час когерентності для квантового зберігання даних. В даний час дана реалізація є предметом докладання великих зусиль наукової спільноти.

квантова механіка телепортація

Міська зв'язок

Телепортационная зв'язок в масштабі міста (кілька кілометрів) могла б розроблятися з використанням оптичних мод. При достатньо низьких втратах ці системи забезпечують високі швидкості і ширину смуги. Вони можуть бути розширені від настільних реалізацій до систем середньої дальності, які діють через ефір або оптоволокно, з можливою інтеграцією з ансамблевої квантової пам'яттю. Більш далекі відстані, але з більш низькими швидкостями можуть бути досягнуті за допомогою гібридного підходу або шляхом розробки хороших ретрансляторів, заснованих на негауссівських процесах.

Далекий зв'язок

Міжміський квантова телепортація (більше 100 км) є активною областю, але як і раніше страждає від відкритої проблеми. Кубіти поляризації – кращі носії для низькошвидкісної телепортації по довгих оптоволоконних лініях зв'язку і через ефір, але в даний час протокол є ймовірнісним з-за неповного виявлення Белла.

Хоча імовірнісна телепортація і заплутаності прийнятні для таких завдань, як дистиляція заплутування і квантова криптографія, але це явно відрізняється від комунікації, в якій вхідна інформація повинні бути повністю збережена.

Якщо прийняти цей імовірнісний характер, то супутникові реалізації знаходяться в межах досяжності сучасних технологій. Крім інтеграції методів відстеження, основною проблемою стають високі втрати, викликані розмазуванням пучка. Це може бути подолане в конфігурації, де заплутаність розподілена від супутника до наземних телескопів з великою апертурою. Припускаючи апертуру супутника 20 см при 600-км висоті і 1-м діафрагму телескопа на землі, можна очікувати близько 75 дБ втрат в каналі низхідній лінії зв'язку, що менше, ніж 80 дБ втрат на рівні землі. Реалізації «земля-супутник» чи «супутник-супутник» є більш складними.

порушує квантова телепортація принцип невизначеності

Квантова пам'ять

Майбутнє використання телепортації в якості складової частини масштабованої мережі прямо залежить від її інтеграції з квантової пам'яттю. Остання повинна володіти чудовим, з точки зору ефективності конверсії, інтерфейсом «випромінювання-матерія», точністю запису і зчитування, часом зберігання і пропускною здатністю, високою швидкістю і ємністю накопичувача. В першу чергу це дозволить використовувати ретранслятори для розширення комунікації далеко за рамки прямої передачі з використанням кодів корекції помилок. Розвиток хорошою квантової пам'яті дозволило б не тільки розподілити заплутування по мережі і телепортационную комунікацію, але і зв'язно обробляти збережену інформацію. У кінцевому підсумку, це може перетворити мережу у всесвітньо розподілений квантовий комп'ютер або основу для майбутнього квантового інтернету.

Перспективні розробки

Атомні ансамблі традиційно вважалися привабливими з-за їх ефективного перетворення «світ-матерія» і їх миллисекундных термінів зберігання, які можуть досягати 100 мс, необхідних для передачі світла в глобальному масштабі. Тим не менш більш перспективні розробки сьогодні очікуються на основі напівпровідникових систем, де відмінна спін-ансамблева квантова пам'ять прямо інтегрується з масштабованої архітектурою схеми QED. Ця пам'ять не тільки може продовжити час когерентності ланцюга QED, але і забезпечити оптико-мікрохвильовій інтерфейс для взаємоперетворення оптико-телекомунікаційних тачіпових мікрохвильових фотонів.

Таким чином, майбутні відкриття вчених в області квантового інтернету, ймовірно, будуть засновані на дальній оптичного зв'язку, поєднаної з напівпровідниковими вузлами для обробки квантової інформації.


Article in other languages:

AR: https://tostpost.com/ar/education/17536-quantum-teleportation.html

BE: https://tostpost.com/be/adukacyya/33752-kvantavaya-telepartacyya-vyal-k-ya-adkryccya-navuko-ca--f-z-ka.html

DE: https://tostpost.com/de/bildung/33430-quantenteleportation-die-gro-en-entdeckungen-von-wissenschaftlern-phys.html

En: https://tostpost.com/education/28517-quantum-teleportation-the-great-discoveries-of-physicists.html

ES: https://tostpost.com/es/la-educaci-n/33304-teleportaci-n-cu-ntica-grandes-descubrimientos-cient-ficos-f-sicos.html

HI: https://tostpost.com/hi/education/19170-quantum-teleportation-the-great-discoveries-of-physicists.html

JA: https://tostpost.com/ja/education/17195-quantum-teleportation-the-great-discoveries-of-physicists.html

KK: https://tostpost.com/kk/b-l-m/34063-kvantty-taldy-or-anda-balaba-sha-ashyldy-ly-ashu--alymdar-men-fizikter.html

PL: https://tostpost.com/pl/edukacja/35115-teleportacja-kwantowa-wielkie-odkrycia-naukowc-w-fizyk-w.html

PT: https://tostpost.com/pt/educa-o/34917-quantum-teletransporte-grandes-descobertas-de-cientistas-f-sicos.html

TR: https://tostpost.com/tr/e-itim/30481-kuantum-nlanma-b-y-k-bulu-lar-bilim-adamlar-fizik-iler.html

ZH: https://tostpost.com/zh/education/4186-quantum-teleportation-the-great-discoveries-of-physicists.html






Alin Trodden - автор статті, редактор
"Привіт, Я Алін Тродден. Я пишу тексти, читаю книги і шукаю враження. І я непогано вмію розповідати вам про це. Я завжди радий брати участь у цікавих проектах."

Примітка (0)

Ця стаття не має коментарів, будьте першим!

Додати коментар

Новини

Знак - це... Які існують знаки пунктуації. Роль розділових знаків

Знак - це... Які існують знаки пунктуації. Роль розділових знаків

Всім відомо, що знак - це крапка, кома, знаки питання та оклику. А які є ще й навіщо вони потрібні?СутністьЗнак - це внеалфавитная графічна одиниця мови, що допомагає структурувати письмовий текст. Їх вживання регулюється з допомо...

115 елемент таблиці Менделєєва: характеристика

115 елемент таблиці Менделєєва: характеристика

115 елемент таблиці Менделєєва – московій (moscovium) – надважкий синтетичний елемент з символом Mc і атомним номером 115. Він був вперше отримано в 2003 році спільною командою російських та американських вчених в Об'є...

Населення Арабських Еміратів. Які народи населяють Емірати

Населення Арабських Еміратів. Які народи населяють Емірати

Об'єднані Арабські Емірати – процвітаючу державу ісламського світу. Одна з найбагатших і безпечних країн, капітал якої з кожним роком стає все більше. Чим займається місцеве населення? Які народи проживають в ОАЕ?Що це за кр...

Гарна рима до слова

Гарна рима до слова "близький"

Багато авторів, які пишуть вірші, іноді стикаються з проблемою підбору співзвучних слів і виразів. Рима до слова «близький» часто необхідна для складання творів на різні тематики. Важливо обміркувати і записати в папер...

Як знайти висоту трапеції?

Як знайти висоту трапеції?

У нашому житті дуже часто доводиться стикатися із застосуванням геометрії на практиці, наприклад, у будівництві. Серед найбільш часто зустрічаються геометричних фігур є і трапеція. І для того, щоб проект був успішним і красивим, н...

Як перевестися з Вузу в інший ВУЗ: покрокова інструкція

Як перевестися з Вузу в інший ВУЗ: покрокова інструкція

Як перевестися з Вузу в інший ВУЗ? Мабуть, завжди знайдуться ті, кого зацікавить дане питання. Особливо актуальним він стає у кінці навчального року, коли здана сесія, підведені підсумки, і студент опиняється перед вибором, чи зал...