Kwantumteleportatie: de grote ontdekkingen van natuurkundigen

Quantum teleportatie is een van de belangrijkste protocollen in quantum informatie. Op basis van de fysieke middelen van de verwarring, het is het belangrijkste element van de verschillende informatie taken en vormt een belangrijk onderdeel van quantum technologieën spelen een belangrijke rol bij de verdere ontwikkeling van quantum computing, networking en communicatie.

Van science fiction tot wetenschappelijke ontdekkingen

Het is al meer dan twee decennia sinds de ontdekking van kwantumteleportatie, dat is waarschijnlijk een van de meest interessante en spannende gevolgen van "vreemdheid" van de kwantummechanica. Voordat deze grote ontdekkingen werden gedaan, dit idee behoorde tot het rijk van de science fiction. Uitgevonden in 1931 door Charles H. Fort term "teleportation" constant is toegepast om het proces waarbij het lichaam en de voorwerpen van de ene plaats naar de andere te beschrijven, is het niet echt overwinnen van de afstand daartussen.

In 1993 publiceerde hij een artikel waarin het protocol van quantum informatie, genaamd "quantum teleportatie", die een aantal van de hierboven genoemde symptomen gedeeld. Het onbekende toestand van een fysisch systeem wordt gemeten en vervolgens gereproduceerd, of "opnieuw gaan" in de externe site (de fysieke elementen van het oorspronkelijke systeem blijven zitten transfer). Deze werkwijze vereist de klassieke communicatiemiddelen en elimineert superluminale communicatie. Het vereist een leven van verwarring. In feite kan teleportatie worden gezien als een protocol van quantum informatie die het meest duidelijk de aard van de verwarring: zonder de aanwezigheid van een staat van de overdracht niet mogelijk is binnen het kader van de wetten die de kwantummechanica te beschrijven zou zijn.

Teleportatie heeft een actieve rol gespeeld in de ontwikkeling van de wetenschap van de informatie. Aan de ene kant is dit een conceptueel protocol, die een cruciale rol in de ontwikkeling van een formeel quantum speelt informatie theorie, en aan de andere kant is het een fundamenteel onderdeel van een groot aantal technologieën. De quantum repeater - een belangrijk onderdeel van de communicatie over lange afstand. Teleportation quantum schakelaars berekening op basis van afmetingen en kwantum network - zijn alle derivaten daarvan. Het wordt gebruikt als een eenvoudig hulpmiddel voor de studie van "extreme" natuurkunde, tijdelijke bochten en verdamping van zwarte gaten.

Vandaag kwantumteleportatie bevestigd in laboratoria over de hele wereld met behulp van een verscheidenheid aan substraten en technologieën, waaronder fotonische qubits, nucleaire magnetische resonantie, optische modes, groepen van atomen, de gevangen atomen en halfgeleider systemen. Uitstekende resultaten zijn bereikt in de teleportatie range komende experimenten met satellieten. Voorts werd getracht te schalen om meer complexe systemen.

teleportatie van qubits

Kwantumteleportatie werd eerst beschreven voor de twee-niveau systemen, de zogenaamde qubits. Protocol onderzoek van twee externe partijen, genaamd Alice en Bob, die qubit 2 delen, A en B zijn in zuivere verstrengelde toestand, ook wel Bell paar. Bij de ingang van Alice kregen een andere qubit en wiens toestand ρ is onbekend. Het voert dan een gemeenschappelijk quantum meting, genaamd de ontdekking van Bell. Het draagt een en A in één van de vier Bell staten. Dientengevolge, de ingangstoestand van de qubit gemeten verdwijnt Alice en Bob B qubit tegelijkertijd geprojecteerd P ^† _k ρP _k. In de laatste stap protocol zendt Alice een klassieke resultaat van de meting Bob, die Pauli _Pk operator wordt aan de eerste ρ herstellen.

De begintoestand van een qubit Alice wordt anonieme beschouwd, omdat anders het protocol wordt teruggebracht tot zijn externe meting. Bovendien kan het zelf deel uitmaken van een grotere composiet systeem, gedeeld met een derde partij (in dit geval succesvolle teleportatie al vergt het afspelen correlaties met deze derde partij).

Een typisch experiment van kwantumteleportatie neemt pure originele staat en die behoren tot een beperkte alfabet, bijvoorbeeld, zes polen van de Bloch bol. In aanwezigheid van decoherentie kwaliteit van de gereconstrueerde toestand kan worden uitgedrukt in hoeveelheid nauwkeurig teleportation F ∈ [0, 1]. Deze nauwkeurigheid tussen staten van Alice en Bob, gemiddeld over alle detectie resultaten van de Bell en de originele alfabet. Voor kleine waarden van de nauwkeurigheid van methoden bestaan, waardoor onvolmaakte teleportation zonder ingewikkelde middelen. Zo kan Alice direct in de oorspronkelijke staat te meten door het sturen van Bob voor het opstellen van de resulterende staat. verwezen Deze meting-training strategie als "klassieke teleportatie." Met een maximale nauwkeurigheid van F _class = 2/3 voor ingangstoestand, gelijk alfabetische onderling onpartijdige aandoeningen zoals de Bloch-vector zes polen.

Zo, een duidelijke indicatie van het gebruik van quantum middelen is een precisie-waarde F> F _klasse.

Geen enkele qubit

Volgens kwantumfysica teleportatie qubits is niet beperkt, kan een multidimensionaal systeem. Voor elke eindige maatregel d kunnen worden geformuleerd ideale regeling teleportation behulp basis maximaal verstrengeling vectoren die kunnen worden verkregen van een gegeven maximaal verstrengelde toestand en een basis _{Uk} unitaire operator voldoet ^{_{tr (U † j Uk)}} = dδ j, k . Een dergelijk protocol kan worden geconstrueerd voor eindige-Hilbertruimte r. N. discrete variabele systemen.

Bovendien kan kwantumteleportatie toepassing op systemen met oneindige Hilbertruimte, zogenaamde continu-variabele systemen. In de regel worden ze gerealiseerd door optische boson modi, het elektrisch veld kan worden beschreven kwadratuur operators.

Snelheid en onzekerheid principe

Wat is de snelheid van kwantumteleportatie? Informatie wordt overgedragen met een snelheid gelijk aan de snelheid van overdracht van hetzelfde aantal klassieke - eventueel met de lichtsnelheid. Theoretisch kan het dus worden gebruikt, hoe klassiek kan niet - bijvoorbeeld in quantum computing, waar de gegevens zijn alleen beschikbaar voor de ontvanger.

Heeft kwantumteleportatie schenden het onzekerheidsprincipe? In het verleden, het idee van teleportatie is niet echt serieus genomen door geleerden genomen, omdat men geloofde dat het beginsel van het verbod van meet- of scanproces om alle informatie atoom of een ander object te extraheren schendt. Overeenkomstig het principe van onzekerheid is hoe nauwkeuriger gescande object, hoe meer het wordt beïnvloed door het aftastproces totdat een punt wordt bereikt wanneer de oorspronkelijke toestand van het voorwerp verstoord zodanig dat steeds onvoldoende informatie om een replica te maken kan worden verkregen. Het klinkt overtuigend: als een persoon geen informatie van het object kan halen om perfecte kopieën te maken, kan deze niet worden gedaan.

Kwantumteleportatie voor Dummies

Maar de zes wetenschappers (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, en Uilyam Vuters) vond een manier om deze logica, met behulp van een gevierd en paradoxale eigenschap van de kwantummechanica bekend als de Einstein-Podolsky-Rosen. Zij vonden een manier om de gegevens teleported object A scannen en het resterende ongeteste gedeelte via het effect van de overdracht andere voorwerpen in contact met een niet houden.

Vervolgens door op blootstelling C afhankelijke gescande gegevens kunnen naar de stand A scannen worden ingevoerd. En zelf niet in dezelfde staat als omgekeerde scanproces Hierdoor wordt bereikt teleportation, niet replicatie.

De strijd voor het bereik

• De eerste kwantumteleportatie vond plaats in 1997 bijna gelijktijdig door wetenschappers van de Universiteit van Innsbruck en de Universiteit van Rome. Tijdens het experiment een fotonenbron met een polarisatie en één van een paar fotonen veranderd zodat het tweede oorspronkelijke polarisatie foton ontvangen. Dus zowel fotonen op afstand van elkaar.
• In 2012 was er een regelmatige kwantumteleportatie (China University of Science and Technology) door het bergmeer op een afstand van 97 km. Een team van wetenschappers van Shanghai onder leiding van Juan Iinem erin geslaagd om een suggestieve mechanisme dat juist gerichte bundel toegestaan ontwikkelen.
• In september werd een record kwantumteleportatie op 143 km in hetzelfde jaar uitgevoerd. Oostenrijkse wetenschappers van de Academie van Wetenschappen van Oostenrijk en de Universiteit van Wenen onder leiding van Antona Tsaylingera heeft met succes overgebracht quantum toestanden tussen de twee Canarische eilanden La Palma en Tenerife. Het experiment werden twee optische lijnen in het groen, kvantumnaya en klassieke, frequentie ongecorreleerd polarisatie verwarde paar fotonen bronnen, sverhnizkoshumnye single-photon detectoren en koppeling kloksynchronisatie.
• In 2015, onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology voor het eerst maakte de overdracht van informatie over een afstand van meer dan 100 km van glasvezel. Dit werd mogelijk gemaakt door het instituut gemaakt fotondetector behulp supergeleidende nanodraden molybdeen silicide.

Het is duidelijk dat het ideaal van een quantum systeem of technologie nog niet bestaat en de grote ontdekkingen van de toekomst moet nog komen. Toch kunnen we proberen om mogelijke kandidaten te identificeren voor specifieke toepassingen van teleportatie. Geschikte hybridisatie hen voorzien consistente basis en methoden kunnen de meest veelbelovende toekomst voor kwantumteleportatie en haar toepassingen.

korte afstanden

Teleportation een korte afstand (1 m) als kwantumberekening subsysteem veelbelovend halfgeleider inrichtingen, waarvan de beste is een diagram van QED. Vooral supergeleidende qubits transmonovye garanderen deterministisch en zeer nauwkeurige teleportation chip. Ze laten ook een directe stroom van real-time, die problematisch op fotonische chips lijkt. Daarnaast hebben ze een meer schaalbare architectuur, en een betere integratie van bestaande technologieën in vergelijking met vorige benaderingen, zoals opgesloten ionen. Momenteel is de enige nadeel van deze systemen is blijkbaar hun beperkte coherentietijd (<100 ms). Dit probleem kan opgelost worden door QED integratie met halfgeleiderschakelingen draaien ensemble geheugencellen (stikstof gesubstitueerd met vacatures of kristal gedoteerd met zeldzame aardmetalen), dat een lange tijd voor de samenhang datakwant opslag kan leveren. Momenteel is deze implementatie is een zaak voor grotere inspanningen van de wetenschappelijke gemeenschap.

city Link

Us teleporteren naar de schaal van de stad (enkele kilometers) kunnen worden ontwikkeld met behulp van de optische modes. Bij voldoende lage verlies, deze systemen bieden een hoge snelheid en bandbreedte. Hun uitbreiding van desktop implementaties tot middellange afstand die werken via de ether of optische vezel, met mogelijke integratie met een ensemble van kwantumgeheugen. Over lange afstanden, maar met een lagere snelheid kan worden bereikt door een hybride aanpak of door het ontwikkelen van een goede repeaters op basis van niet-normale processen.

telecommunicatieverbinding

Lange afstand kwantumteleportatie (meer dan 100 km) is een actief gebied, maar nog steeds lijdt aan een open probleem. Polarisatie qubits - de beste dragers voor langzame teleport over lange glasvezel lijnen en door de lucht, maar op dit moment het protocol is een probabilistisch gevolg van onvolledige detectie Bella.

Hoewel probabilistische teleportation en entanglement geschikt voor toepassingen zoals destillatie van verstrengeling en Kwantumcryptografie, maar het is duidelijk verschillend van de communicatie, waarbij de ingangsinformatie volledig worden behouden.

Als we deze probabilistische aard te accepteren, de uitvoering van de satelliet zijn binnen het bereik van moderne technologieën. Naast de integratie van trackingmethodes, het belangrijkste probleem is de hoge verliezen als gevolg van de spreiding van de bundel. Dit kan worden ondervangen in een configuratie waarbij verknoping wordt verdeeld vanuit de satelliet naar de aardse telescoop met een groot diafragma. Uitgaande satelliet opening van 20 cm bij 600 km hoogte en 1 m diafragma telescoop op de grond, kan men ongeveer 75 dB verlies in een downlink kanaal kleiner is dan 80 dB verlies op grondniveau verwachten. Uitvoering van de "aarde satelliet" of "companion satelliet" zijn complexer.

quantum geheugen

Toekomstig gebruik van teleportatie als onderdeel van een schaalbare netwerk is direct gerelateerd aan de integratie met kwantumgeheugen. Deze moet uitstekende qua omzettingsefficiëntie grensvlak "straling materie, nauwkeurig registreren en lezen, tijd en opslagcapaciteit, hoge snelheid en opslagcapaciteit. Allereerst kun je repeaters gebruiken voor het verbeteren van de communicatie tot ver buiten de directe overdracht met behulp van de foutcorrectie codes. De ontwikkeling van een goede quantum geheugen zou toestaan niet alleen verstrikking en teleportatie communicatie via het netwerk te distribueren, maar ook verbonden met opgeslagen informatie te verwerken. Uiteindelijk is dit zou kunnen uitmonden in een netwerk van internationaal gedistribueerde quantum computer of een basis voor toekomstige quantum internet.

veelbelovende ontwikkelingen

Nuclear ensembles traditioneel beschouwd aantrekkelijk vanwege hun efficiënte omzetting van de "light-matter" en hun milliseconde periodes van opslag, die kan oplopen tot 100 ms nodig om het licht de hele wereld te verzenden. Er zijn echter meer geavanceerde ontwikkelingen nu verwacht op basis van halfgeleider-systemen, waarbij uitstekende spin-ensemble quantum geheugen rechtstreeks geïntegreerd met de schaalbare architectuur van het circuit QED. Dit geheugen kan niet alleen uitstrekken samenhang tijdschakeling QED, maar ook optische microgolven interface voor de onderlinge omzetting van optische telecommunicatie en chip magnetron fotonen te verschaffen.

Zo toekomstige ontdekkingen van wetenschappers op het gebied van quantum internet dreigen te worden op basis van lange afstand optische communicatie, geconjugeerde halfgeleidende eenheden voor quantum informatieverwerking.