Kvanttiteleportaatio: suuri löydöt fyysikkojen

Kvanttiteleportaatio on yksi tärkeimmistä protokollat kvantti-informaation. Perustuen fyysiset resurssit hämmennystä, se on tärkein elementti erilaisia tietoja tehtävistä ja on tärkeä osa kvantti teknologiat avainasemassa jatkokehityksessä kvanttilaskentaa, verkostoituminen ja viestintä.

Science fiction tieteellisten löytöjen

Se on ollut yli kahden vuosikymmenen löytymisestä kvanttiteleportaatio, joka on luultavasti yksi mielenkiintoinen ja jännittävä seuraukset "outouden" kvanttimekaniikka. Ennen näitä tehtiin suuria löytöjä, tämä ajatus kuului tieteiskuvitelmien maailmaan. Ensimmäinen keksittiin vuonna 1931 Charles H. Fort termi "teleportaatio" on sittemmin käytetty kuvaamaan prosessi, jossa keho ja esineitä siirretään paikasta toiseen, se ei todellakaan ratkaista niiden välisestä etäisyydestä.

Vuonna 1993 hän julkaisi artikkelin kuvaava protokollan kvantti-informaation, jota kutsutaan "kvanttiteleportaatio", joka jakoi joitakin edellä mainituista oireista. Se tuntematon tila on fyysisen järjestelmän mitataan, ja sitä toistetaan, tai "uudelleen menossa" kauko-sivuston (fyysinen elementtejä alkuperäinen järjestelmä pysyvät paikoillaan siirto). Tämä prosessi edellyttää klassisen viestintävälineitä ja eliminoi Superluminal viestintää. Se vaatii elämän sekaannusta. Itse asiassa, teleportaatio voidaan pitää protokollan kvantti-informaation, että useimmat osoittaa selvästi luonne hämmennystä: ilman läsnä ollessa tilan siirtoa ei olisi mahdollista puitteissa lakien, jotka kuvaavat kvanttimekaniikan.

Teleportaatio on ollut aktiivisesti kehittämässä tieteen tiedon. Toisaalta, tämä on käsitteellinen protokolla, joka on keskeisessä asemassa kehitettäessä muodollisen kvantti informaatioteorian, ja toisaalta se on olennainen osa monia tekniikoita. Kvantti toistin - keskeinen osa pitkän matkan viestintä. Teleportaatio kvantti kytkimet, laskenta perustuu mittauksiin ja kvantti verkosto - ovat kaikki johdannaiset. Sitä käytetään helppokäyttöinen työkalu tutkittaessa "äärimmäinen" fysiikan väliaikaista käyrät ja haihtumisen mustia aukkoja.

Tänään kvanttiteleportaatio vahvisti laboratorioissa ympäri maailmaa käyttäen erilaisia substraatteja ja tekniikoita, kuten fotoni kvanttibittejä, ydinmagneettinen resonanssi, optinen tilat, atomiryhmällä, loukkuun atomit ja puolijohde-järjestelmät. Erinomaisia tuloksia on saavutettu teleportaatio alueella tulevina kokeet satelliitteja. Lisäksi yritettiin mittakaavassa jopa monimutkaisempia järjestelmiä.

teleportaatio of kubittien

Kvanttiteleportaatio oli ensimmäinen kuvattu kahden tason järjestelmissä ns kvanttibittejä. Protokolla käsittelee kahta muuta osapuolta, nimeltään Alice ja Bob, jotka jakavat qubit 2, A ja B ovat puhtaita sotkeutua tilassa, jota kutsutaan myös Bell pari. Klo sisäänkäynnin Alice annetaan toiselle kubitti ja joiden tila ρ on tuntematon. Se suorittaa sitten yhteisen kvantti mittaus, jota kutsutaan löytö Bell. Se kantaa ja A yksi neljästä Bell toteaa. Seurauksena, panos tila qubit mitattuna Alice katoaa ja Bob B qubit samanaikaisesti heijastetaan P ^† _k pp _k. Viimeisessä vaiheessa protokollan Alice lähettää klassista seurausta sen mittauksen Bob, joka koskee Pauli _Pk operaattori palauttaa alkuperäisen ρ.

Alkutila on kubitti Alice pidetään nimettömänä, koska muuten protokolla alennetaan sen kauko-mittaus. Lisäksi se voi itse olla osa suurempaa yhdistetyn järjestelmän, jakaa kolmasosaa osapuolen (tässä tapauksessa onnistunut teleportaatio kaikki vaatii toistoa korrelaatiot tämän kolmannen osapuolen).

Tyypillinen koe kvanttiteleportaatio ottaa puhdas alkuperäinen tila ja kuuluvat rajoitetun aakkoset, esimerkiksi kuusi navat Bloch pallosta. Kun läsnä on decoherence laatutaso palautetussa tila voidaan ilmaista kvantitatiivisesti tarkkoja teleportaatio F ∈ [0, 1]. Tämä tarkkuus valtioiden välillä Alice ja Bob keskiarvona kaikkien havaitseminen tulokset Bell ja alkuperäinen aakkoset. Pienille arvoilla menetelmien tarkkuutta olemassa, mikä mahdollistaa epätäydellinen teleportaatio ilman monimutkaisia resurssi. Esimerkiksi, Alice voi suoraan mitata sen alkuperäiseen tilaan lähettämällä Bob valmistamiseksi tuloksena tilan. Tämä mittaus-koulutusstrategiasta nimitystä "klassisen teleportaatio." Se on suurin tarkkuus F _class = 2/3 tahansa tulotilan, vastaava aakkosellinen keskenään puolueeton olosuhteet, kuten Bloch alalla kuusi napaa.

Näin ollen, on selvä osoitus käytön kvantti resurssien on tarkkuus arvo F> F _luokka.

Ei yksittäinen kubitti

Mukaan kvanttifysiikan, teleportaatio on kubittien ei ole rajoitettu, se voi sisältää moniulotteinen järjestelmä. Kunkin äärellinen toimenpiteen d voidaan formuloida ihanteellinen järjestelmä teleportaatio käyttäen perusteella maksimaalisesti sotkeutua tila vektoreita, jotka voidaan saada tietystä maksimaalisesti sotkeutua tila ja perusta {U _k} yhtenäinen toimijoille, jotka täyttävät ^{_{p (U † j U k)}} = dδ j, k . Tällainen protokolla voidaan rakentaa mille tahansa äärellinen-Hilbert tilaa r. N. diskreetti muuttuja järjestelmiä.

Lisäksi, kvanttiteleportaatio voidaan soveltaa järjestelmissä, joissa on ääretön Hilbertin avaruus, jota kutsutaan portaattomasti järjestelmiä. Pääsääntöisesti, ne on toteutettu optisella hiukkanen tilat, sähkökenttä, jota voidaan kuvata Quadrature operaattoreille.

Nopeus ja epävarmuus periaate

Mikä on nopeus kvanttiteleportaatio? Informaatio lähetetään nopeudella samanlainen nopeus lähetyksen sama määrä klassinen - mahdollisesti valon nopeudella. Teoriassa voidaan siten käyttää, miten klassista voi - esimerkiksi kvanttilaskenta, jos tiedot ovat käytettävissä vain vastaanottajalle.

Onko kvanttiteleportaatio rikkovat epävarmuus Periaate? Aiemmin ajatus teleportaatio ei oikeastaan ota vakavasti oppineet, koska uskottiin, että se loukkaa kielletään jonkin mittaus- tai skannauksen poimia kaikki tiedot atomi tai muu esine. Mukaisesti periaatteen epävarmuus, sitä tarkempi kohde on skannattu, sitä enemmän se vaikuttaa skannaus, kunnes saavutetaan piste, kun alkuperäinen tila esineen häiriintynyt siinä määrin, että enemmän ei voida saada riittävästi tietoja replikan. Kuulostaa vakuuttava: jos henkilö ei voi poimia tietoa esineen luoda täydellisiä kopioita, tämä ei voi tehdä.

Kvanttiteleportaatio for Dummies

Mutta kuusi tutkijat (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres ja Uilyam Vuters) löysi keinon kiertää tämän logiikan, käyttäen juhlittu ja paradoksaalinen piirre kvanttimekaniikka tunnetaan Einstein-Podolsky-Rosen. He löysivät keinon kartoittaa tiedot teleportattiin kohteen A, ja jäljellä oleva testaamattomasta osan kautta vaikutuksen siirron muiden esineiden kanssa kosketukseen Koskaan noudattaa.

Tämän jälkeen, käyttämällä C altistumista riippuvainen skannattu tieto voidaan syöttää tilaan A skannata. Ja itse ei ole samassa kunnossa kuin käänteinen skannaus, siten saavutetaan ei teleportaatio, ei replikaatiota.

Taistelua välillä

• Ensimmäisessä kvanttiteleportaatio tapahtui vuonna 1997 lähes samanaikaisesti tiedemiesten Innsbruckin yliopiston ja Rooman yliopiston. Kokeen aikana fotonilähteellä, jolla on polarisaatio, ja yksi pari kietoutuvat fotonien on muutettu siten, että toinen alkuperäinen polarisaatio fotoneja vastaanotettu. Näin molemmat fotonit ovat välimatkan päässä toisistaan.
• Vuonna 2012 säännöllisen kvanttiteleportaatio (Kiinan University of Science and Technology) läpi Alppien järvi etäisyydeltä 97 km. Ryhmä tiedemiehiä Shanghaista päättämässä Juan Iinem onnistuneet kehittämään viittaavia mekanismi, joka sallitaan tarkasti kohdennettuja palkki.
• Syyskuussa ennätykselliset kvanttiteleportaatio on 143 km tehtiin samana vuonna. Itävallan tutkijat tiedeakatemian Itävallan ja Wienin yliopistosta johdolla Antona Tsaylingera on onnistuneesti lähetetty kvanttitilat kahden Kanariansaarten La Palma ja Teneriffa. Kokeessa käytettiin kahta optista tietoliikenneyhteyksiä auki, kvantumnaya ja klassisen, taajuus korreloi polarisaatio sekava pari fotonien lähteistä, sverhnizkoshumnye yhden fotonin ilmaisimet ja kytkin kellon synkronointi.
• Vuonna 2015 tutkijat Yhdysvaltain National Institute of Standards and Technology ensimmäistä kertaa tehty tiedonsiirto yli etäisyys on yli 100 km valokuitu. Tämä on mahdollista ansiosta instituutin luotu fotoni-ilmaisin käyttäen suprajohtavaa nanolangoista molybdeenisilisidista.

On selvää, että ihanne kvantti järjestelmää tai teknologiaa ei ole vielä olemassa, ja suurta löytöjä tulevaisuus on vielä edessä. Voimme kuitenkin pyrkiä tunnistamaan mahdolliset ehdokkaat tiettyihin sovelluksiin teleportation. Sopivat hybridisaatio heille tarjotaan johdonmukaisesti ja menetelmät voivat tarjota lupaavimmista tulevaisuuden kvanttiteleportaatio ja sen sovellukset.

lyhyitä matkoja

Teleportaatio lyhyen matkan (1 m) kuin kvanttilaskenta osajärjestelmän lupaava puolijohdekomponenttien, joista paras on kaavio QED. Erityisesti suprajohtavia kubittien transmonovye voi taata deterministinen ja erittäin tarkka teleportaatio siru. Ne mahdollistavat myös suoran virtauksen reaaliaikaisesti, mikä tuntuu ongelmallista fotoniikkakomponentit pelimerkkejä. Lisäksi ne tarjoavat enemmän skaalautuva arkkitehtuuri, ja parempi integrointi olemassa olevaa teknologiaa verrattuna edelliseen lähestymistapoja, kuten loukussa ioneja. Tällä hetkellä ainoa haittapuoli näiden järjestelmien ilmeisesti on niiden rajallinen yhtenäisyys (<100 ms). Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä QED integrointi puolijohdepiirien spin kokonaisuus muistisolujen (typpi-substituoitu avoimista tai kide, joka on seostettu harvinaisia maametalleja), joka voi tarjota pitkään koherenssiaika kvantti tietojen varastointiin. Tällä hetkellä tämä täytäntöönpano on asia suurempia ponnistuksia tiedeyhteisön.

city linkki

Meitä Teleport kaupungin mittakaavassa (useita kilometrejä) voitaisiin kehittää käyttäen optista tilat. Riittävän alhainen menetys, nämä järjestelmät tarjoavat suuren nopeuden ja kaistanleveyden. Ne voidaan laajentaa tietokonetoteutuksissa keskipitkän kantaman, jotka toimivat ilman kautta tai optinen kuitu, jossa on mahdollista integraatio kokonaisuus kvantti muistia. Pitkiä matkoja, mutta alemmalla nopeudella voidaan saavuttaa hybridi lähestymistapa tai kehittämällä hyvää toistimien perustuvat ei-Gaussin prosessit.

tietoliikenne

Pitkän matkan kvanttiteleportaatio (yli 100 km) on aktiivinen alue, mutta silti kärsii avoin ongelma. Polarisaatio kvanttibittejä - Parhaiden kantajien hitaan teleporttia pitkiä kuituoptiset linjat viestinnän ja ilmassa, mutta tällä hetkellä protokolla on probabilistinen epätäydellisestä havaitsemiseen Bella.

Vaikka probabilistisen teleportaatio ja kietoutuminen ovat sopivia sovelluksiin, kuten tislaus takertumisesta ja kvanttisalausta, mutta se on selvästi erilainen kuin viestintä, jossa sisään syötetty tieto on täysin säilynyt.

Jos hyväksymme tämän todennäköisyyspohjainen luonne, täytäntöönpano Satelliitin ulottuvilla nykyaikaisen tekniikan. Lisäksi integrointi seuranta menetelmiä, suurin ongelma on korkea aiheuttamat menetykset leviämistä palkin. Tämä voidaan voittaa rakenteessa, jossa takertua jaetaan satelliitista maanpäällisen teleskoopin, jossa on suuri aukko. Olettaen, satelliitti aukko 20 cm 600 km korkeudella ja 1 m aukko teleskooppi päällä, voidaan odottaa noin 75 dB: n menetys laskevan siirtotien kanava, joka on pienempi kuin 80 dB häviö maanpinnan tasolla. Täytäntöönpano "maan satelliitin" tai "kumppani satelliitin" ovat monimutkaisempia.

kvantti muisti

Tulevaa käyttöä teleportation osana skaalautuva verkko liittyy suoraan sen integrointi kvantti muistia. Sillä on oltava erinomainen suorituskyvyn suhteen muuntaminen interface "säteily-aineen', tarkkuus tallennuksen ja lukemisen, aika ja tallennuskapasiteetti, nopea ja tallennuskapasiteetti. Ensinnäkin sen avulla voit käyttää toistimet parantamiseksi viestinnän kaukana suora siirto käyttämällä virheenkorjauskoodeja. Kehittäminen on hyvä kvantti muisti antaisi paitsi levittää kietoutumista ja teleportaatio verkon viestintää, mutta myös kytketty käsittelemään tallennetut tiedot. Lopulta tämä voi muuttua verkosto kansainvälisesti hajautettujen kvanttitietokoneelle tai pohjan tulevaisuuden kvantti Internet.

lupaava kehitys

Ydin- kokoonpanoissa perinteisesti pidetty houkutteleva, koska niiden tehokkaan muuttamisen "kevyt-aineen" ja niiden millisekunnin säilytyksen, joka voi olla jopa 100 ms tarvitaan lähettämään valoa maailmanlaajuisesti. Kuitenkin, kehittyneempiä kehitystä odotetaan nyt perusteella puolijohde järjestelmiä, joissa erinomainen spin kokonaisuus kvantti muisti integroitu suoraan skaalautuva arkkitehtuuri piiri QED. Tämä muisti voi ulottua vain koherenssiaika piiri QED, mutta myös tarjota optisten-mikroaaltouuni käyttöliittymä toisikseen optisen tietoliikenteen ja siru mikroaaltouuni fotonit.

Niinpä tulevaisuuden löydöt tiedemiesten alalla kvantti Internet todennäköisesti perustuu pitkän matkan optisen viestinnän, konjugoidut puolijohtava yksiköt kvantti-informaation käsittelyyn.