Kvantteleportatsioon: suur avastusi füüsikud

Kvantteleportatsioon on üks tähtsamaid protokolle quantum teavet. Tuginedes füüsilised ressursid segadust, see on peamine element erinevate teabe ülesanded ja kujutab endast olulist osa quantum tehnoloogiate mängib võtmerolli edasiarendamist kvantarvutustehnika, võrgustike ja side.

Alates ulme teaduslikud avastused

See on olnud üle kahe aastakümne pärast avastamist Kvantteleportatsioon, mis on ilmselt üks kõige huvitav ja põnev tagajärjed "veidrus" kvantmehaanika. Enne neid olid teinud suuri avastusi, see idee kuulus valdkonda ulme. Esimese leiutas 1931. aastal Charles H. Fort Termin "teleportatsioon" on nüüdseks kasutatakse, et kirjeldada protsessi, mille keha ja objektide kantakse ühest kohast teise, see ei ole tegelikult ületada nende vaheline kaugus.

Aastal 1993 avaldas ta artikli, milles kirjeldatakse protokolli quantum teave, mida kutsutakse "Kvantteleportatsioon", kes jagavad mõned eespool nimetatud sümptomid. See tundmatu riigi mingi füüsikalise süsteemi mõõdetakse ja hiljem taasesitada või "uuesti läheb" serveri saidi (füüsiliste elementide esialgse süsteemi alles jääma üleandmine). See protsess nõuab klassikalise sidevahendeid ja kõrvaldab superluminal side. See nõuab elu segadust. Tegelikult teleportatsioon võib vaadelda kui protokolli quantum teavet, et enamik näitab selgelt, milline on segadust: ilma juuresolekul riigi üleandmise ei oleks võimalik raames seadused, mis kirjeldavad kvantmehaanika.

Teleportatsioon on mänginud aktiivset rolli arengus teaduse teavet. Ühelt poolt on see kontseptuaalne protokoll, mis mängib olulist rolli arengu ametliku quantum teavet teooria, ja teisest küljest on oluline osa paljude tehnoloogiaid. Kvant kordaja - põhielement pikamaa-side. Teleportatsioon quantum lülitid, arvutamine põhineb mõõtmistel ja quantum võrgu - kõik derivaadid. Seda kasutatakse lihtne vahend uurimiseks "äärmise" füüsikaalal ajutisele kõverad ja aurutamist musta auku.

Täna Kvantteleportatsioon kinnitas laborites üle maailma, kasutades erinevaid substraate ja tehnoloogiate, sealhulgas footon qubits, tuuma magnetresonants, optiline režiimides aatomite rühmad, lõksus aatomit ja pooljuhtsüsteemidel. Silmapaistvaid tulemusi on saavutatud teleportatsioon valikut tulevad eksperimendid satelliite. Lisaks püüti mõõtkavas kuni keerukamate süsteemide.

teleportatsioon kohta qubits

Kvantteleportatsioon kirjeldati esmakordselt kahe taseme süsteemid, niinimetatud qubits. Protokolli arvestades kahe kauge pooled ehk Alice ja Bob, kes jagavad Kvantbitt 2, A ja B on puhas takerdunud riigi, mida nimetatakse ka Bell paari. Sissepääsu juures Alice antud teise Kvantbitt ja kelle seisund ρ on teadmata. Seejärel sooritab ühine kvantmõõtmistest, mida nimetatakse avastamist Bell. See viib ja A üks neljast Bell riikides. Selle tulemusena sisend oleku Kvantbitt mõõdetuna Alice kaob ja Bob B Kvantbitt samaaegselt projitseeritud P ^† _k ρP _k. Viimases etapis protokolli Alice saadab klassikalise tulemus selle mõõtmine Bob, kes taotleb Pauli P _k operaator taastada esialgne ρ.

Esialgne olekut Kvantbitt Alice peetakse anonüümne, sest muidu protokolli vähendatakse selle kaugmõõtmistulemused. Lisaks võib ta ise olla osa suuremast liitsüsteem, jagatud kolmanda osapoole (antud juhul edukas teleportatsioon kõik nõuab esituse korrelatsioonid see kolmas isik).

Tüüpiline eksperiment Kvantteleportatsioon võtab puhta algse oleku ja kuuluvad piiratud tähestikku, näiteks kuue poolused Bloch sfääri. Kohalolekul decoherence kvaliteeti rekonstrueeritud olekus saab väljendada kvantitatiivselt täpne Teleportatsiooni F ∈ [0, 1]. Selline täpsus riikide vahelisi Alice ja Bob, keskmiselt üle kogu avastamise tulemused Bell ja tähestikus. Väikeste väärtused meetodite täpsuse olemas, mis võimaldab ebatäiuslik teleportatsioon ilma keerulise ressurss. Näiteks Alice võib otseselt mõõta algsesse olekusse saates Bob valmistamiseks saadud riik. See mõõtmine-koolituse strateegia nimetatakse "klassikalise teleportatsioon". See on maksimaalne täpsus _klass F = 2/3 tahes sisendi olekus, mis on samaväärne tähestiku vastastikku kallutamata tingimustest nagu Bloch sfääri kuue postid.

Seega selge märk kasutamise quantum ressursse on täpsus väärtus F> F _klassi.

Mitte ükski Kvantbitt

Vastavalt kvantfüüsika, teleportatsioon kohta qubits ei piirdu, see võib sisaldada mitmemõõtmeline süsteemi. Iga lõplikel meede d võib valmistada suurepärane skeemi Teleportatsiooni lehe alusel maksimaalselt läbipõimunud olekuvektor mida võib saadud teatava maksimaalselt haakunud olekus ja aluse {U _k} ühtse operaatorid vasta ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Sellise protokolli saab konstrueerida mistahes lõplikel-Hilberti ruumi r. N. diskreetse muutuja süsteeme.

Lisaks Kvantteleportatsioon saab rakendada süsteemid lõpmatu Hilbert space, mida nimetatakse pidevalt muutujaga süsteeme. Üldjuhul nad on realiseeritud optiliste boson režiimid, elektrivälja, mis võib kirjeldada kvadratuur operaatorid.

Kiirus ja määramatuse printsiip

Mis on kiirus Kvantteleportatsioon? Teave edastatakse kiirusel sarnane andmeedastust kiirusega sama arvu klassikaline - võimalusel koos valguse kiirus. Teoreetiliselt saab seega kasutada, kuidas klassikalise ei saa - näiteks quantum arvuti, kus andmed on kättesaadavad ainult saaja.

Kas Kvantteleportatsioon rikuvad määramatuse printsiip? In the past, idee teleportatsioon ei ole tegelikult tõsiselt võtta teadlased, sest arvati, et see rikub keelamise põhimõtet mõõte- või skaneerimise protsessi, et eraldada kogu teabe aatomi või muu objekti. Vastavalt põhimõttele ebakindlust, täpsem objekti skaneeritakse, seda rohkem mõjutab skaneerimise protsessi, kuni saavutatakse punkt, kui algne seisund objekti häirida sellisel määral, et rohkem ei ole võimalik saada piisavalt teavet, et luua replica. See kõlab veenev: kui inimene ei saa saada teavet objekti luua täiuslik koopiad, ta ei saa teha.

Kvantteleportatsioon võhikutele

Aga kuus teadlased (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peresi ning Uilyam Vuters) leidnud viisi ümber selle loogika, kasutades tähistas ja paradoksaalne omadus kvantmehaanika tuntakse Einstein-Podolsky-Rosen. Nad leidsid viis skaneerida teabe Teleporditud objekti A ja ülejäänud testimata osa kaudu mõju ülekandmine muude esemete kontakti kunagi kinni.

Järgnevalt rakendades C kokkupuute sõltuva skaneeritud teavet võib sisestatud olekus A lugema. Ja ise ei ole samas seisukorras, nagu ümberpööratud skaneerimise protsessi, seega saavutada on teleportatsioon, ei replikatsiooni.

Võitluses vahemikus

• Esimene Kvantteleportatsioon toimus 1997. aastal peaaegu üheaegselt teadlased Ülikooli Innsbruck ja Rooma ülikooli. Katse ajal footoni allikas, mille polarisatsioon ja üks paar takerdunud footonid on muutunud nii, et teine originaal polarisatsiooni footon sai. Seega nii footoneid üksteisest eemal.
• Aastal 2012 oli regulaarne Kvantteleportatsioon (Hiina University of Science and Technology) kaudu alpine järv kaugusel 97 km. Teadlaste meeskond Shanghai eesotsas Juan Iinem suutnud arendada sugestiivne mehhanism, mis võimaldas täpselt sihitud tala.
• Septembris rekordilise Kvantteleportatsioon kohta 143 km viidi läbi samal aastal. Austria teadlased Teaduste Akadeemia ja Austria Viini ülikooli alluvuses Antona Tsaylingera on edukalt edastatud Kvantolek kahe Kanaari saared La Palma ja Tenerife. Eksperiment kasutatud kahe optilise sideliinide avatud, kvantumnaya ja klassikalist, sagedus mittekorreleeruvateks polarisatsiooni sassi paari footonite allikad, sverhnizkoshumnye footoni detektorid ja siduri kella sünkroonimine.
• Aastal 2015, teadlased USA National Institute of Standards and Technology esmakordselt tehtud teabe edastamist üle kaugemal kui 100 km kiudoptilised. See sai võimalikuks tänu instituudi loodud footoni detektor kasutades ülijuhtivad nanowires molübdeensilitsiidist.

On selge, et ideaali kvantsüsteemi või tehnoloogia ei ole veel olemas ja suured avastused on tulevik on veel ees. Siiski saame proovida tuvastada võimalikke kandidaate konkreetsete rakenduste teleportatsioon. Sobivad hübridisatsiooni neid ette järjepidevalt ja meetodid võivad anda kõige lootustandvamaid tulevik Kvantteleportatsioon ja selle rakendused.

lühikeste vahemaade

Teleportatsiooni lühikesteks (1 m) kui kvantarvutus allsüsteemi paljulubav pooljuhtseaded millest parim on diagramm QED. Eelkõige ülijuhtivad qubits transmonovye saa garanteerida deterministlik ja väga täpne teleportatsioon kiip. Samuti võimaldavad otsest voolu reaalajas, mis tundub problemaatiline footon kiipe. Lisaks nad pakuvad skaleeritavamaid arhitektuuri ja paremat integreerimist olemasolevate tehnoloogiate võrreldes eelmise lähenemisviise, nagu lõksus ioone. Praegu Ainsaks puuduseks on nende süsteemide ilmselt on nende piiratud sidusus (<100 ms). Seda probleemi saab lahendada, kasutades QED integratsiooni pooljuhtkiibis kedrata ansambli mälurakkudega (lämmastikku asendatud vabade või kristallist dopeeritud haruldased muldmetallid), mis võib anda pika sidusus aega arvulist andmete salvestamiseks. Praegu on selle rakendamisel on tähtis suuremaid jõupingutusi teadusringkondade.

City link

Us teleport linna skaalal (mitme kilomeetri) võiks arendada, kasutades optilise režiimid. Piisavalt madala kaoga need süsteemid pakuvad suure kiirusega ja ribalaiust. Neid saab pikendada töölaua rakendusi keskmise suurusega süsteeme tegutsevad üle õhu või kiudoptiliste koos võimaliku integratsiooni ansambel quantum mälu. Pikkade vahemaade, kuid madalama kiirusega on võimalik saavutada kombineeritud lähenemine või arendades hea repeaters põhineb mitte-Gaussi protsesse.

elekterside

Pikamaa-Kvantteleportatsioon (üle 100 km) on aktiivne piirkond, kuid siiski kannatab avatud probleem. Polarisatsioon qubits - parim kandjad aeglaseid teleport pika fiiberoptiliste sideliine ja läbi õhu, kuid hetkel protokolli on tõenäosuslik puuduliku tuvastamise Bella.

Kuigi tõenäosuslik teleportatsioon ja takerdumine sobivad rakendusi nagu destilleerimise takerdumine ja kvantkrüptograafia, kuid see on selgelt erinev teadaanne, milles sisend teave tuleb täielikult säilinud.

Kui me aktsepteerime seda tõenäosuslik milline on rakendamise satelliit on käeulatuses kaasaegseid tehnoloogiaid. Lisaks integratsiooni jälgimise meetodid, et peamine probleem on kõrge tekitatud kahjude leviku kiire. Seda saab ületada konfiguratsiooni, kus takerdumine jaotub satelliidilt maapealse teleskoobiga suure ava. Eeldades satelliidi ava 20 cm 600 km kõrgusel ja 1 m ava teleskoobi peal, võib eeldada umbes 75 dB kao allalülikanali mis on väiksem kui 80 dB kadu maapinnal. Programmi "Maa satelliit" või "kaaslane satelliit" on keerulisem.

quantum mälu

Kasutamine tulevikus teleportatsioon osana skaleeritav võrk on otseselt seotud selle integreerimist quantum mälu. Viimane peab olema suurepärane tõhususe konverteerimise liides "kiirgust tähtis", täpsusega salvestamine ja lugemine, aega ja mälumaht, kiire ja mälumahuga. Esiteks see võimaldab teil kasutada kordajad tugevdab sidet palju kaugemale otseülekanded kasutades veaparanduskoodide. Areng hea quantum mälu võimaldab mitte ainult levitada takerdumine ja teleportatsioon võrgu side, vaid ka ühendatud töödelda salvestatud informatsiooni. Lõppkokkuvõttes võib see muutuda võrgustik rahvusvahelise levikuga quantum arvuti või aluse edaspidiseks quantum Internet.

paljulubavaid

Tuuma komplektid traditsiooniliselt peetakse atraktiivseks, sest nende tõhusa muundamise "light-tähtis" ja nende millisekundi ladustamist, mis võib olla kuni 100 ms vaja edastada valguse maailmas. Kuid rohkem arenenud arenguid oodatakse nüüd põhjal pooljuhtsüsteemidel, kus suurepärase spin ansambli quantum mälu otseselt integreeritud skaleeritav arhitektuuri circuit QED. See mälu võib mitte ainult pikendada sidusus aega ringi QED, vaid ka pakkuda optilise mikrolaineahi liides vastastikkust optiline telekommunikatsiooni ja kiip mikrolaineahi footonid.

Seega tulevikus avastused teadlaste valdkonnas quantum Interneti tõenäoliselt põhineb pikamaa-optilise side, konjugeeritud pooljuhist ühikut quantum teavet töötlemiseks.