Kvantteleportering: de stora upptäckterna av fysiker

Kvantteleportering är en av de viktigaste protokollen i kvantinformation. Baserat på de fysiska resurser av förvirring, är det viktigaste elementet i de olika informationsuppgifter och utgör en viktig del av kvantteknik spelar en nyckelroll i den fortsatta utvecklingen av kvantdatorer, nätverk och kommunikation.

Från science fiction till vetenskapliga upptäckter

Det har varit mer än två decennier sedan upptäckten av kvantteleportering, som förmodligen är en av de mest intressanta och spännande konsekvenserna av "främling" av kvantmekaniken. Innan dessa gjordes stora upptäckter, denna idé tillhörde sfären av science fiction. Först uppfanns 1931 av Charles H. Fort termen "teleporte" har sedan använts för att beskriva den process genom vilken kroppen och föremålen överförs från en plats till en annan, är det inte riktigt att övervinna avståndet mellan dem.

År 1993 publicerade han en artikel som beskriver protokollet för kvantinformation, som kallas "kvantteleportering", som delade några av symptomen som anges ovan. Det okänt tillstånd av ett fysiskt system mäts och därefter reproduceras eller "re-going" i den avlägsna platsen (de fysiska elementen i det ursprungliga systemet förbli på plats överföring). Denna process kräver de klassiska medel för kommunikation och eliminerar superluminal kommunikation. Det kräver ett liv av förvirring. I själva verket kan teleportation ses som ett protokoll för kvantinformation som tydligast visar vilken typ av förvirring: utan närvaro av ett tillstånd av överföringen inte skulle vara möjligt inom ramen för de lagar som beskriver kvantmekaniken.

Teleportation har spelat en aktiv roll i utvecklingen av vetenskapen av information. Å ena sidan är det en begrepps protokoll, som spelar en avgörande roll i utvecklingen av en formell kvantinformationsteori, och å andra sidan är en grundläggande beståndsdel i många tekniker. Kvantrepeterare - en viktig del av långväga kommunikation. Teleportation kvant switchar, beräknings baserat på mätningar och kvantnätverk - är alla derivat därav. Det används som ett enkelt verktyg för att studera "extrema" i fysik, på temporära kurvor och avdunstning av svarta hål.

Idag quantum teleportation bekräftades i laboratorier runt om i världen med hjälp av en mängd olika substrat och tekniker, inklusive fotoniska kvantbitar, kärnmagnetisk resonans, optiska moder, grupper av atomer, de uppfångade atomer och halvledarsystem. Enastående resultat har uppnåtts i teleporte range kommande experiment med satelliter. Dessutom gjordes försök att skala upp till mer komplexa system.

teleportation av kvantbitar

Quantum teleportation först beskrivits för de två-nivåsystem, de så kallade kvantbitar. Protokollet överväger två fjärr partier, kallade Alice och Bob, som delar kvantbiten 2, A och B är i ren intrasslat tillstånd, även kallad Bell paret. Vid ingången till Alice ges ett annat kvantbiten och vars tillstånd ρ är okänd. Den utför sedan en gemensam kvantmätning, som kallas upptäckten av Bell. Det bär en och A i en av de fyra Bell stater. Som ett resultat, försvinner inmatningstillståndet hos kvantbitens mätt Alice och Bob B Qubit samtidigt projiceras på P ^† _k ρP _k. I det sista steget protokollet Alice sänder en klassisk resultat av dess mätning Bob, som applicerar Pauli _Pk operatören att återställa den ursprungliga ρ.

Det initiala tillståndet för en kvantbit Alice anses anonym, eftersom annars det protokoll reduceras till dess fjärrmätning. Dessutom kan det i sig vara en del av en större kompositsystem, som delas med en tredje part (i detta fall lyckas teleporte alla kräver uppspelnings korrelationer med denna tredje part).

Ett typiskt experiment av kvantteleportation tar rent ursprungliga tillstånd och som hör till en begränsad alfabet, till exempel, sex poler Bloch sfären. I närvaro av decoherence kvaliteten hos den rekonstruerade tillstånd kan uttryckas kvantitativt noggrann teleportation F ∈ [0, 1]. Denna noggrannhet mellan tillstånd av Alice och Bob i genomsnitt för alla detekterings resultaten av Bell och det ursprungliga alfabetet. För små värden på exaktheten av metoder finns, vilket möjliggör ofullkomliga teleporte utan intrikata resurs. Till exempel, kan Alice direkt mäta dess ursprungliga tillstånd genom att sända Bob för framställning av det resulterande tillståndet. Denna mätning-utbildningsstrategi kallad "klassisk teleporte." Den har en maximal noggrannhet av F _class = 2/3 för någon ingång tillstånd, den ekvivalenta alfabetisk inbördes objektiva förhållanden såsom den Bloch sfären sex poler.

Sålunda, är en klar indikation på användningen av kvant resurser en precisionsvärde F> F _klass.

Inte en enda kvantbit

Enligt kvantfysik, teleportation av kvantbitar är inte begränsad, kan den innefatta en flerdimensionell systemet. För varje ändlig åtgärd d kan formuleras ideala systemet teleportation med användning basis maximalt hoptrasslade tillståndsvektorer som kan erhållas från en given maximalt intrasslat tillstånd och en bas {U _k} enhetliga operatörer uppfyller ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Sådant protokoll kan konstrueras för någon ändlig-Hilbertrum r. N. diskreta variabla system.

Dessutom kan kvantteleportation tillämpas på system med oändligt Hilbert utrymme, som kallas kontinuerligt-variabla system. Som regel är de realiseras genom optiska boson lägen, det elektriska fältet som kan beskrivas kvadratursignalerna operatörer.

Principen hastighet och osäkerhet

Vad är hastigheten på kvantteleportering? Information sänds vid en hastighet som liknar hastigheten för överföring av samma antal klassiska - eventuellt med ljusets hastighet. Teoretiskt kan det därför användas, hur klassisk kan inte - till exempel i kvantberäkning, där data är endast tillgängliga för mottagaren.

Har kvantteleportering bryter den osäkerhet princip? I det förflutna, är tanken på teleportation inte riktigt tas på allvar av forskare, eftersom man trodde att det strider mot principen om förbud mot någon mät- eller skanningen för att utvinna all information atom eller annat föremål. I enlighet med principen av osäkerhet, är den mer exakta föremålet skannas, ju mer det påverkas av avsökningsprocessen tills en punkt nås när det ursprungliga objektets tillstånd störs i sådan utsträckning att mer inte kan erhållas tillräckligt med information för att skapa en replik. Det låter övertygande: om en person inte kan hämta information från föremålet för att skapa perfekta kopior, kan den senare inte göras.

Quantum Teleportation för attrapper

Men de sex forskarna (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, och Uilyam Vuters) hittat ett sätt runt denna logik, med användning av en uppburen och paradoxal egenskap hos kvantmekaniken kallas Einstein-Podolsky-Rosen. De fann ett sätt att skanna informationen teleported objekt A och resterande oprövade delen via effekten av överförings andra föremål i kontakt med en aldrig följa.

Därefter, genom att till C exponering beroende avsökta informationen kan matas in i tillstånd A som ska skannas. Och självt inte är i samma skick som den omvända skanningsprocessen, således uppnås är teleportation, inte replikation.

Kampen för intervallet

• Den första kvantteleportering ägde rum under 1997 nästan samtidigt av forskare från University of Innsbruck och universitetet i Rom. Under experimentet en fotonkälla med en polarisation, och en av ett par av hoptrasslade fotoner ändrats så att den andra ursprungliga polarisation foton emot. Sålunda båda fotoner är åtskilda från varandra.
• Under 2012 den vanliga kvantteleportering (China University of Science and Technology) genom alpina sjön på ett avstånd av 97 km. Ett team av forskare från Shanghai under ledning av Juan Iinem lyckats utveckla en suggestiv mekanism som tillät exakt riktad stråle.
• I september var ett rekord kvantteleportering på 143 km genomfört samma år. Österrikiska forskare från Academy of Sciences i Österrike och universitetet i Wien under ledning av Antona Tsaylingera har framgångsrikt överfört kvanttillstånd mellan de båda Kanarieöarna La Palma och Teneriffa. Experimentet använde två optiska kommunikationsledningar i det öppna, kvantumnaya och klassisk, frekvens okorrelerad polarisation trassliga par av fotoner källor, sverhnizkoshumnye singelfotondetektorer och kopplingsklocksynkronisering.
• År 2015, forskare från USA National Institute of Standards and Technology för första gången gjorde överföring av information över ett avstånd på mer än 100 km optisk fiber. Detta gjordes möjligt tack vare institutet skapade fotondetektor, som använder supraledande nanotrådar av molybdensilicid.

Det är klart att ännu inte existerar ideal ett kvantsystem eller teknik och de stora upptäckterna i framtiden är ännu inte kommit. Ändå kan vi försöka identifiera möjliga kandidater för specifika tillämpningar av teleportation. Lämplig hybridisering dem tillhandahålls konsekvent sätt och metoder kan ge den mest lovande framtid för kvantteleportation och dess tillämpningar.

korta avstånd

Teleportation en kort sträcka (1 m) som en kvantberäknings delsystemet lovande halvledaranordningar, det bästa av dessa är ett diagram av QED. I synnerhet supraledande kvantbitar kan transmonovye garantera deterministisk och mycket noggrann teleporte chip. De tillåter också en direkt flöde av realtid, vilket verkar problematiskt på fotoniska chips. Dessutom ger de en mer skalbar arkitektur, och bättre integration av befintlig teknik jämfört med tidigare tillvägagångssätt, såsom fångade joner. Närvarande, uppenbarligen är deras begränsade koherens (<100 ms) den enda nackdelen hos dessa system. Detta problem kan lösas genom att använda QED integration med halvledarkretsar snurra ensembleminnesceller (kväve-substituerade med lediga platser eller kristall dopade med sällsynta jordartselement), som kan ge en lång koherens tid för kvant av datalagring. För närvarande är en fråga för större ansträngningar för forskarvärlden detta genomförande.

City link

Us teleportera till stadens skala (flera kilometer) skulle kunna utvecklas med hjälp av optiska lägen. Vid tillräckligt låga förluster, dessa system ger hög hastighet och bandbredd. De kan förlängas från skrivbords implementeringar till medeldistanssystem som arbetar över luften eller optisk fiber, med möjlig integrering med en ensemble av kvant minne. Över långa sträckor, men med lägre hastighet kan uppnås genom en hybrid strategi eller genom att utveckla goda repeaters baseras på icke-Gaussiska processer.

telekommunikation

Långväga quantum teleportation (över 100 km) är ett aktivt område, men fortfarande lider av ett öppet problem. Polariseringskvantbitar - de bästa bärare för låg hastighet teleportera över långa fiberoptiska kommunikationslinjer och genom luften, men i det ögonblick då protokollet är en probabilistisk grund av ofullständig detektering Bella.

Även om probabilistisk teleportation och hoptrassling är lämpliga för tillämpningar såsom destillation av intrassling och kvantkryptografi, men det skiljer sig klart från det meddelande i vilket den inmatade informations måste vara helt bevaras.

Om vi accepterar detta sannolikhets natur, genomförandet av satelliten är inom räckhåll för modern teknik. Förutom integreringen av spårningsmetoder, det största problemet är de höga förluster som orsakas av spridningen av strålen. Detta kan övervinnas i en konfiguration där hoptrassling distribueras från satelliten till den markbundna teleskop med en stor öppning. Under antagande satellit vidd av 20 cm vid 600 km höjd och 1 ^ m öppning teleskop på marken, kan man förvänta sig ungefär 75 dB av förlust i en nedlänkskanal som är mindre än 80 dB förlust på marknivå. Genomförandet av "jordens satellit" eller "följeslagare satellit" är mer komplexa.

quantum minne

Framtida användning av teleportation som en del av ett skalbart nätverk är direkt relaterad till dess integration med kvant minne. De senare måste ha utmärkt när det gäller verkningsgrad interface "strålnings materia', en noggrannhet på inspelning och läsning, tid och lagringskapacitet, hög hastighet och lagringskapacitet. Först och främst kan du använda repeatrar för att förbättra kommunikationen långt bortom direkt överföring med hjälp av felkorrigeringskoder. Utvecklingen av en god kvant minne skulle tillåta inte bara att distribuera sammanflätning och teleportenätverkskommunikation, men också ansluten för att bearbeta lagrad information. I slutändan kan detta bli ett nätverk av internationellt distribuerade kvantdator eller en grund för framtida kvant Internet.

lovande utveckling

Kärn ensembler traditionellt anses attraktiva på grund av deras effektiv omvandling av "light-materia" och deras millisekund lagringsperioder, som kan vara upp till 100 ms behövs för att sända ljus globalt. Men mer avancerade utvecklingen väntas på basis av halvledarsystem, där utmärkt spin ensemble quantum minne direkt integrerade med skalbar arkitektur kretsen QED. Detta minne kan inte bara förlänga koherenstid kretsen QED, men också att ge optisk-mikrovågsugn gränssnitt för omvandling av optiska telekommunikations och chip mikrovågsugn fotoner.

Sålunda, framtida upptäckter av forskare inom området för kvant Internet kommer sannolikt att baseras på långdistans optisk kommunikation, konjugerade halvledande enheter för kvantinformationsbehandling.