Quantum телепортиране: великите открития на физиците

Quantum телепортация е един от най-важните протоколи в квантовата информация. Въз основа на физическите ресурси на объркване, е основният елемент на различните информационни задачи и представлява важна част от квантовата технологии, които играят ключова роля в по-нататъшното развитие на квантовите компютри, мрежи и комуникации.

От научна фантастика за научни открития

Той е бил повече от две десетилетия след откриването на квантовата телепортация, което е може би една от най-интересните и вълнуващи последствията от "странност" на квантовата механика. Преди тези разходи са направени велики открития, тази идея принадлежи на сферата на научната фантастика. Първо изобретен през 1931 г. от Чарлз Х. Форт Терминът "телепортиране" оттогава е бил използван, за да опише процеса, чрез който тялото и обектите се прехвърлят от едно място на друго, това място не е преодоляване на разстоянието между тях.

През 1993 г. той публикува статия, описваща протокола на квантовата информация, наречена "квантовото телепортиране", които споделиха някои от симптомите, изброени по-горе. Това неизвестно състояние на физическата система се измерва и впоследствие възпроизведени, или "отново ще" в отдалечения сайт (физическите елементи на оригиналната система остават в сила превод). Този процес изисква класическите средства за комуникация и елиминира свръхсветлинна комуникация. Тя изисква живот на объркване. В действителност, телепортация може да се разглежда като протокол на квантовата информация, която най-ясно показва същността на объркването: без присъствието на състояние на трансфера не би било възможно в рамките на законите, които описват квантовата механика.

Телепортацията е играл активна роля в развитието на науката за информация. От една страна, това е концептуална протокол, който играе ключова роля в развитието на официална квантовата теория на информацията, а от друга, че е основен компонент на много технологии. Квантовият повторител - ключов елемент на комуникации на далечни разстояния. Телепортация квантовата ключове, изчисляване на базата на измервания и квантовата мрежа - са всички техни производни. Той се използва като лесен за използване инструмент за изучаване на "екстремни" на физиката, във връзка с временни криви и изпаряване на черни дупки.

Днес квантовата телепортация потвърдено в лаборатории по целия свят с помощта на различни субстрати и технологии, включително фотонни qubits, ядрено-магнитен резонанс, оптични режими, групи от атоми, уловеното атоми и полупроводникови системи. Изключителни са постигнати резултати в телепортиране обсег следващите експерименти с сателити. Освен това, бяха направени опити да се мащабира до по-сложни системи.

телепортация на qubits

Quantum телепортация е описан за първи за системите на две нива, така наречените qubits. Протокол обмисля два отдалечени страни, наречени Алис и Боб, които споделят кюбит 2, А и В са в чисто състояние заплете, наричан още Bell двойка. На входа на Алис даден още един кюбит и чието състояние ρ е неизвестен. След това тя изпълнява съвместно квантово измерване, наречена откриването на Bell. То носи и А в един от четирите Bell членки. В резултат на въвеждане на състоянието на кюбит когато се измерва Alice изчезва и Боб B кюбит едновременно проектира върху P ^† _к ρP _к. В последната стъпка протокола Алис предава класически резултат от нейното измерване на Боб, който кандидатства Паули P _к оператор, за да се възстанови оригиналния р.

Първоначалното състояние на кюбит Алис се счита за анонимен, защото в противен случай протоколът се намалява до неговата дистанционно измерване. В допълнение, тя може да се да бъде част от по-голям композитна система, споделена с трета страна (в този случай успешното телепортиране всичко необходимо за възпроизвеждане на корелация с тази трета страна).

Един типичен експеримент на квантовата телепортация се чист първоначалното състояние и принадлежаща към ограничен азбука, например, шест полюси на сферата Блок. В присъствието на качеството декохерентността на реконструирания състояние може да се изрази количествено точна телепортация F ∈ [0, 1]. Тази точност между състояния на Алис и Боб, средната стойност на всички резултати за откриване на камбаната и оригиналната азбука. За малки стойности на точността на методите съществуват, позволяваща несъвършен телепортация без сложен ресурс. Например, Alice може директно измерване на първоначалното си състояние чрез изпращане Боб за получаване на получения състояние. Тази стратегия измерване-обучение по-нататък "класическа телепортиране." Той има максимална точност на F _клас = 2/3 за всеки вход състояние, еквивалентен Буквеното взаимно обективни условия, като сферата Блок шест полюса.

По този начин, ясна индикация за използването на квантовата ресурси е прецизно стойност F на> F _клас.

Нито един кюбит

Според квантовата физика, телепортация на qubits не се ограничава, тя може да включва многоизмерна система. За всеки краен мярка г може да бъде формулиран идеално схема телепортация използвайки основа максимум в заплетени държавни вектори, които могат да бъдат получени от дадена максимално заплете състояние и основа {U _к} единични оператори отговарят ^{_{TR (U † й U к)}} = dδ J, K , Такъв протокол може да бъде конструиран за всеки ограничен-Хилберт пространство г. Н. дискретни променливи системи.

Освен това, квантовото телепортиране може да се прилага за системи с безкраен Хилберт пространство, наречени непрекъснато-променливи системи. Като правило, те се реализира с оптични бозони режими, електрическо поле, което може да се опише оператори квадратура.

принцип на скоростта и несигурност

Каква е скоростта на квантовата телепортация? Информацията се предава със скорост, подобна на скоростта на предаване на един и същ брой класически - вероятно с скоростта на светлината. Теоретично, това по този начин може да се използва, как класическата не може - например, в квантовите компютри, където са налични данни само за получателя.

Има ли квантовата телепортация нарушава принципа на неопределеността? В миналото, на идеята за телепортация не е наистина възприема сериозно от учени, защото се е смятало, че то нарушава принципа на забрана на всякакъв измервателен или сканиране процес да получават цялата информация атом или друг обект. В съответствие с принципа на неопределеността, толкова по-точен обекта е сканиран, толкова повече тя се влияе от процеса на сканиране, докато се достигне момент, когато на първоначалното състояние на обекта нарушен до такава степен, че повече не може да се получи достатъчно информация, за да се създаде реплика. Това звучи убедително: ако човек не може да се извлече информация от обекта да се създаде перфектни копия, той не може да се направи.

Квантовото телепортиране за манекени

Но шест учени (Чарлз Бенет, Zhil Brassar, Клод Crépeau, Ричард Dzhosa, Asher Перес и Уилям Vuters) намерили начин около тази логика, с помощта на известния и парадоксално особеност на квантовата механика, известен като Айнщайн-Подолски-Росен. Те намерили начин да сканирате информация телепортирани обект А, а останалите неизпитана част чрез ефекта на пренос на други предмети в контакт с А никога не спазва.

Впоследствие, чрез прилагане на излагане C зависи сканирана информация може да бъде вписано в състояние А, за да сканирате. И себе си не е в същото състояние, като обърнат процеса на сканиране, като по този начин се постигне е телепортиране, не репликация.

Борбата за обхвата

• Първият квантов телепортацията се състоя през 1997 г. почти едновременно от учени от Университета на Инсбрук и в университета в Рим. По време на експеримента източник на фотон, който има поляризация, и един от чифт заплетени фотони е променен, така че е получил втори оригинал поляризация фотона. Така двете фотони са раздалечени един от друг.
• През 2012 г. редовно квантово телепортиране (Китай университет за наука и технологии) през езерото алпийската на разстояние от 97 км. Екип от учени от Шанхай, водени от Хуан Iinem успя да разработи предполагащи механизъм, който позволява прецизно насочени лъч.
• През септември, което е рекорд квантовото телепортиране на 143 km се извършва на същата година. Австрийските учени от Академията на науките на Австрия и Виенския университет под ръководството на Antona Tsaylingera успешно предават квантови състояния между двете Канарските острови на Ла Палма и Тенерифе. Експериментът се използват два оптични комуникационни линии на открито, kvantumnaya и класически, честота несвързани помежду поляризация заплетени двойка фотони източници, sverhnizkoshumnye еднофотонна детектори и съединител тактова синхронизация.
• През 2015 г. изследователи от Националния институт за стандарти и технологии за първи път прави прехвърлянето на информация на разстояние от повече от 100 km от оптични влакна. Това стана възможно благодарение на институт създаден фотон детектора за използване свръхпроводящи наножици на молибден силицид.

Ясно е, че идеалът на система квантовата или технология все още не съществува, и най-големите открития на бъдещето, което тепърва предстои. Независимо от това, ние можем да се опитаме да се идентифицират възможните кандидати за конкретни приложения на телепортация. Подходящ хибридизация тях при условие, последователно и методи могат да осигурят най-обещаващо бъдеще за квантовото телепортиране и неговите приложения.

къси разстояния

Телепортацията на кратко разстояние (1 m) като квантов подсистемата изчисление обещаващи полупроводникови прибори, най-добрите от които е диаграма на QED. По-специално, свръхпроводими qubits transmonovye може да гарантира, уникално и много точен телепортиране чип. Те също така позволяват директно изтичане в реално време, което изглежда проблематично за фотонни чипове. В допълнение, те осигуряват по-мащабируема архитектура, както и по-добра интеграция на съществуващите технологии, в сравнение с предишните подходи, като в капан йони. В момента единственият недостатък на тези системи очевидно е ограничен от времето си съгласуваност (<100 мсек). Този проблем може да бъде решен чрез използване на интеграция QED с полупроводникови схеми въртят ансамбъл памет клетки (азот-заместен с места или кристал, легирани с редкоземни елементи), които могат да осигурят дълго време последователност за Спектър на съхранение на данни. В момента, тази реализация е въпрос за по-големи усилия от страна на научната общност.

Град връзка

Нас телепортира град мащаб (няколко километра) на може да бъде разработена с помощта на оптични режими. При достатъчно ниски загуби, тези системи осигуряват висока скорост и трафик. Те може да бъде удължен от десктоп приложения, до системи със среден обсег, работещи по въздуха или оптични влакна, с възможно интеграция с ансамбъл от квантова памет. С течение на дълги разстояния, но с по-ниска скорост може да се постигне с хибридно подход или чрез разработване на добри ретранслатори на базата на не-Gaussian процеси.

телекомуникация

Далечни разстояния квантовото телепортиране (над 100 км) е активна област, но все още страда от открит проблем. Поляризация qubits - най-добрите носители на ниска скорост за телепортиране на дълги оптични линии за комуникация и във въздуха, но в момента протоколът е вероятностна поради непълна откриване Bella.

Въпреки вероятностен телепортация и заплитане са подходящи за приложения като дестилация на заплитане и квантова криптография, но е ясно, различен от съобщението в която вход информация трябва да бъде напълно запазена.

Ако приемем този вероятностен характер, изпълнението на спътника са в обсега на съвременни технологии. В допълнение към интегрирането на методите за проследяване, основният проблем са високите загуби, причинени от разпространението на лъча. Това могат да бъдат преодолени в конфигурация, където заплитане се разпространява от спътника към наземна телескопа с голям отвор. Ако приемем, сателитна бленда на 20 см във височина 600 км и 1 m бленда телескоп на земята, може да се очаква около 75 db на загуба в канал за връзка към земя, която е по-малко от 80 db загуба на нивото на земята. Изпълнение на "земята спътник" или "спътник Спътникът" са по-сложни.

квантова памет

Бъдещо използване на телепортация, като част от мащабируема мрежа е пряко свързано с интеграцията си с квантова памет. Последният трябва да има превъзходен по отношение на ефективността интерфейс конверсия "радиация въпрос", с точност до запис и четене, време и капацитет за съхранение, висока скорост и капацитет за съхранение. На първо място тя ви позволява да използвате ретранслатори за засилване на комуникацията далеч извън прякото предаване се използват кодовете за коригиране на грешки. Развитието на един добър квантова памет ще позволи не само да разпространява заплитане и телепортация мрежова комуникация, но и свързани с обработка на съхраняваната информация. В крайна сметка, това може да се превърне в мрежа от международно разпределени квантов компютър или основа за бъдещо квантов интернет.

перспективни разработки

Ядрени ансамбли традиционно се смята атрактивни, защото на тяхната ефективна реализация на "светло въпроса" и техните милисекунда периоди на съхранение, които може да бъде до 100 милисекунди, необходими за предаване на светлината в целия свят. Въпреки това, по-съвременни разработки сега се очаква на базата на полупроводникови системи, където отлично завъртане ансамбъл квантова памет, интегрирани директно с мащабируема архитектура на верига QED. Тази памет може не само да удължи времето съгласуваност верига QED, но също така да се осигури оптично-микровълнова интерфейс за взаимното превръщане на оптични телекомуникационни и чип микровълнови фотони.

По този начин, бъдещите открития на учените в областта на квантовата интернет могат да се основават на далечни разстояния оптична комуникация, спрегнати полупроводниковите единици за квантова обработка на информация.