Квантна телепортација: од најголемите откритија на физичари

Квантна телепортација е еден од најважните протоколи во квантната информации. Врз основа на физички ресурси на конфузија, тоа е главниот елемент на разни информации задачи и претставува важен дел на квантната технологии игра клучна улога во натамошниот развој на квантните компјутери, мрежи и комуникации.

Од научна фантастика за научни откритија

Тоа е повеќе од две децении од откривањето на квантната телепортација, што е веројатно една од најинтересните и возбудливи последици од "чудноста" на квантната механика. Пред овие се направени големи откритија, оваа идеја му припаѓал на областа на научната фантастика. Прво измислен во 1931 година од страна на Чарлс Форт терминот "teleportation" оттогаш се користи за да се опише процесот со кој на телото и на предметите се од едно место на друго, тоа не е навистина се надмине далечината помеѓу нив.

Во 1993 година тој објави статија опишува протоколот на квантната информации, наречена "квантна телепортација", кој го дели некои од симптомите наведени погоре. Тоа непознат состојба на физички систем се мери, а потоа се репродуцира, или "повторно ќе" на далечинскиот управувач сајт (на физички елементи на оригиналниот систем да остане во место трансфер). Овој процес бара класичните средства за комуникација и елиминира superluminal комуникација. Се бара живот на конфузија. Всушност, teleportation може да се гледа како протокол на квантната информации кои најјасно покажува природата на конфузија: без присуство на состојбата на трансфер не би било можно во рамките на законите кои ја опишуваат квантната механика.

Teleportation одигра активна улога во развојот на науката за информации. Од една страна, ова е концептуален протоколот, кој игра клучна улога во развојот на формална квантната теорија на информации, а од друга страна тоа е основна компонента на многу технологии. Квантната повторувач - клучен елемент на долго растојание комуникација. Во процесот на телепортирање квантната прекинувачи, пресметка врз основа на мерења и квантната мрежа - се сите нивни деривати. Се користи како едноставна алатка за проучување на "екстремни" на физиката, на привремена криви и испарување на црните дупки.

Денес квантна телепортација потврдено во лаборатории ширум светот со користење на различни подлоги и технологии, вклучувајќи фотонски qubits, нуклеарна магнетна резонанца, оптички режими, групи на атоми, заробени атоми и полупроводнички системи. Извонредни резултати се постигнати во teleportation спектар доаѓање експерименти со сателити. Покрај тоа, беа направени обиди да скала до повеќе комплексни системи.

teleportation на qubits

Квантна телепортација прв пат е опишан за системи за две нивоа, т.н. qubits. Протокол разгледува две оддалечени страни, наречен Алис и Боб, кои делат qubit 2, A и B се заплетка во чиста состојба, исто така, повика Бел пар. На влезот во Алис дадена уште една qubit и чија состојба ρ е непозната. Таа потоа се врши заеднички квантната мерење, наречен откривање на Бел. Таа носи и А во еден од четирите Бел држави. Како резултат на тоа, на влез состојба на qubit кога се мери Алис исчезнува и Боб Б qubit истовремено проектирани на P ^† ρP _{k k.} Во последниот чекор протокол Алис пренесува класичен резултат на своето мерење Боб, кој се однесува Паули P _k оператор за да ја вратите оригиналната ρ.

Почетна состојба на qubit Алис се смета за анонимен, бидејќи во спротивно на протоколот се намалува до неговата далечинско мерење. Покрај тоа, таа може да се биде дел од еден поголем композитен систем, споделени со трети лица (во овој случај успешна телепортација сите бара репродукција корелации со оваа трета страна).

Еден типичен експеримент на квантната teleportation зема чиста првобитна состојба и кои припаѓаат на ограничен писмо, на пример, шест столбови на сферата Блох. Во присуство на decoherence квалитетот на изграденото државата може да се изрази квантитативно точни teleportation F ∈ [0, 1]. Оваа точност меѓу државите на Алис и Боб, во просек на сите резултати на откривање на Бел и оригиналниот писмо. За мали вредности на точноста на методи постојат, дозволувајќи им на несовршените teleportation без сложена ресурс. На пример, Алис може директно да се измери неговата оригинална состојба со испраќање на Боб за подготовка на резултантните државата. Оваа стратегија за мерење обука наведени како "класичен teleportation." Таа има максимална точност на Ф _класа = 2/3 за секој влез државата, што е еквивалентно азбучен меѓусебно непристрасно условите како сфера Блох шест столбови.

Така, јасна индикација за употреба на квантната ресурси е прецизна вредност F a> F _класа.

Ниту еден qubit

Според квантната физика, телепортација на qubits не е ограничена, може да вклучува мулти-димензионален систем. За секоја конечни мерка г можат да се формулираат идеална шема teleportation користење основа максимално заплетка држава вектори кои можат да се добијат од даден максимално заплетка државата и основа {U _k} унитарна оператори задоволување ^{_{tr (U † ѕ U k)}} = dδ ј, к . Таквиот протокол може да биде изграден за било какви конечни-Hilbert простор r. Н. дискретни променлива системи.

Исто така, квантна телепортација може да се применува за системите со бескрајна Хилберт простор, наречен постојано променлива системи. Како по правило, тие се реализираат со оптички бозон режими, електрично поле на кое може да се опише оператори квадратурата.

принципот брзина и несигурност

Што е брзина на квантна телепортација? Информациите се пренесуваат со брзина слична на брзината на пренос на ист број на класичен - а можеби и со брзината на светлината. Теоретски, тоа всушност може да се користи, како класична не може - на пример, во квантните компјутери, каде што се достапни податоците само на примачот.

Дали квантна телепортација крши принципот на несигурност? Во минатото, идејата за teleportation навистина не е сфатена сериозно од страна на научниците, бидејќи се сметало дека тоа го нарушува принципот на забрана на ниту едно мерно или скенирање процес за да се извлече сите информации атом или друг предмет. Во согласност со принципот на несигурност, попрецизно објектот се скенираат, повеќе се под влијание на процесот на скенирање се додека не достигна точката кога првобитната состојба на објектот нарушен до таква мера, дека повеќе не може да се добијат доволно информации за да се создаде реплика. Тоа звучи убедливо: ако човек не може да се извлече информации од објектот да се создаде совршен копии, таа не може да се направи.

Квантна Печатачите ги издаваат for Dummies

Но, шест научниците (Чарлс Бенет, Zhil Brassar, Клод Crépeau, Ричард Dzhosa, Ашер Перес и Uilyam Vuters) се најде начин да се заобиколи оваа логика, со користење на славни и парадоксална функција на квантната механика познат како Ајнштајн-Podolsky-Розен. Тие откриле начин за скенирање на информации телепортирање објект, а останатите неизпробван дел преку ефектот на трансферот други предмети во контакт со А никогаш не се придржуваат.

Потоа, со примена на изложеност C зависи скенирани информации може да се влезе во состојба А за да го скенира. И самиот не е во иста состојба како што е спротивно на процесот на скенирање, со што е постигнат телепортација, не репликација.

Борбата за опсег

• Првата квантна телепортација се одржа во 1997 година, речиси истовремено од страна на научниците од Универзитетот во Инсбрук и на Универзитетот во Рим. За време на експериментот извор на фотони има поларизација, а еден на еден пар на заплетка фотони се менуваат, така што ја доби втората оригиналниот поларизација фотон. Така и фотоните се распоредени едни од други.
• Во 2012 година, на редовна квантна телепортација (Кина на Универзитетот за наука и технологија) преку езерото алпски на растојание од 97 км. Еден тим на научници од Шангај предводена од Хуан Iinem успеа да се развие сугестивен механизам што е дозволено точно насочени зрак.
• Во септември, што е рекорд квантна телепортација на 143 километри се врши истата година. Австриски научници од Академијата на науките на Австрија и на Универзитетот во Виена под раководство на Antona Tsaylingera успешно пренесени квантните состојби меѓу двете Канарските Острови на Ла Палма и Тенерифе. Експериментот се користат две оптички комуникации на отворено, kvantumnaya и класична, фреквенција неповрзани поларизација испреплетени пар на фотони извори, sverhnizkoshumnye еден фотон детектори и спојката часовник синхронизација.
• Во 2015 година, истражувачите од Националниот институт за стандарди и технологија за прв пат извршениот пренос на информации во текот на растојание од повеќе од 100 километри на оптички влакна. Ова е овозможено благодарение на Институтот создадена фотон детектор користење на суперкомпјутери нано-жици на молибден силикат.

Јасно е дека идеалот на системот квантната или технологија се уште не постои и големите откритија на иднината допрва треба да дојде. Сепак, можеме да се обидеме да се идентификуваат можните кандидати за специфични апликации на teleportation. Погодно хибридизација ги обезбеди доследно и методи можат да се обезбедат повеќето ветувачка иднина за квантна телепортација и неговите апликации.

кратки растојанија

Печатачите ги издаваат на кратко растојание (1 m) како квантната потсистем пресметка ветувачки полупроводнички уреди, најдобрите од нив е дијаграм на QED. Особено, суперкомпјутери qubits transmonovye може да гарантира детерминистички и високо прецизни teleportation чип. Тие, исто така, им овозможи директен проток на реално време, што се чини проблематично за фотонски чипови. Покрај тоа, тие обезбедуваат повеќе скалабилни архитектура и подобра интеграција на постоечките технологии во споредба со претходните периоди, како што се заробени јони. Во моментов, само недостаток на овие системи, очигледно е ограничено време кохерентност (<100 ms). Овој проблем може да се реши со користење на интеграција QED со полупроводнички кола вртат ансамбл мемориски ќелии (азот-заменет со работни места или кристално смешан со ретки земјата елементи), која може да обезбеди долго време кохерентност за квантум на складирање на податоци. Во моментов, оваа институција е прашање за поголеми напори од научната заедница.

Сити линк

Ја Телепорт на градот скала (неколку километри) би можел да биде развиен со користење на оптички режими. На доволно ниска загуба, овие системи се обезбеди со голема брзина и пропусниот опсег. Тие може да се прошири од десктоп имплементации за системи со среден дострел кои работат во текот на воздух или оптички влакна, со можност за интеграција со ансамблот на квантната меморија. Во текот на долги растојанија, но со помала брзина може да се постигне од страна на хибрид пристап или преку развивање на добри репетитори врз основа на не-Gaussian процеси.

телекомуникации

Долги квантна телепортација (околу 100 км) е активна област, но се уште страда од отворен проблем. Поларизација qubits - најдобар превозници за ниска брзина Телепорт на долги оптички линии на комуникација и низ воздухот, но во моментот на протоколот е веројатна поради нецелосни откривање Бела.

Иако веројатноста teleportation и заплет се погодни за апликации како што дестилација од заплеткување и квантната криптографија, но јасно е различна од комуникација во која влезните информации мора да се целосно зачувани.

Ако ја прифатиме оваа веројатна природата, спроведувањето на сателитот се на дофат на модерните технологии. Во прилог на процесот на интеграција на методи за следење, главниот проблем се високите загуби предизвикани од ширење на зракот. Ова може да се надмине со конфигурација каде заплет се дистрибуира од сателит на домашен телескоп со голем отвор. Претпоставувајќи сателитски отвор од 20 см во висина од 600 километри и 1 m отвор телескоп на земјата, може да се очекува околу 75 dB на загуба во канал распоредувањето на податоци, што е помалку од 80 dB губење на приземје. Спроведувањето на "земска сателитска" или "другар сателит" се многу посложени.

квантна меморија

Идно користење на teleportation како дел од скалабилни мрежа е директно поврзана со нејзината интеграција со квантна меморија. Тие мора да имаат врвен во однос на ефикасноста интерфејс конверзија "на зрачење-материја", на точноста на снимање и читање, време и капацитет на складирање, со голема брзина и капацитет на складирање. Прво на сите што ви овозможува да се користи репетитори за подобрување на комуникацијата далеку од директен пренос користење на кодовите за грешка корекција. Развојот на добар квантната меморија ќе ви овозможи не само да се дистрибуираат заплет и teleportation мрежа за комуникација, но, исто така, поврзани со процесот складирани информации. На крајот на краиштата, ова може да се претвори во мрежата на меѓународно дистрибуирани квантен компјутер или основа за иднината на квантната интернет.

ветувачки развој

Нуклеарна ансамбли традиционално се сметаат за привлечен поради нивната ефикасна реализација на "светло-материја", а нивните милисекунда периоди на складирање, која може да биде до 100 ms потребни за да се пренесат светлосни на глобално ниво. Сепак, повеќе напредни развој сега се очекува врз основа на полупроводнички системи, каде одлични спин ансамбл квантната меморија директно интегрирана со скалабилни архитектура на колото QED. Оваа меморија не само што може да го продолжи времето кохерентност коло QED, но, исто така, за да се обезбеди оптичко-микробранова интерфејс за интерконверзијата на оптичките телекомуникациски и чип микробранови фотони.

Така, идните откритија на научниците од областа на квантната интернет, најверојатно, ќе биде врз основа на долги оптичка комуникација, конјугиран semiconducting единици за квантната обработка на информации.