Teleportation Quantum: zbulimet e mëdha të fizikanëve

teleportation Quantum është një nga protokollet më të rëndësishme në informatat kuantike. Bazuar në burimet fizike të konfuzionit, është elementi kryesor i detyrave të ndryshme të informacionit dhe përfaqëson një pjesë të rëndësishme të teknologjive kuantike luajnë një rol kyç në zhvillimin e mëtejshëm të informatikë kuantike, rrjeteve dhe komunikimit.

Nga science fiction në zbulimet shkencore

Ajo ka qenë më shumë se dy dekada që nga zbulimi i teleportation kuantike, e cila është ndoshta një nga pasojat më interesante dhe emocionuese e "çuditshme" të mekanikës kuantike. Para se këto janë bërë zbulime të mëdha, kjo ide i përkiste fushën e science fiction. Së pari shpikur në vitin 1931 nga Charles H. Fort termin "teleportation" ka qenë që përdoret për të përshkruar procesin me të cilin trupi dhe objektet janë transferuar nga një vend në tjetrin, ajo nuk është me të vërtetë të kapërcyer distancën mes tyre.

Në vitin 1993 ai botoi një artikull që përshkruan protokollin e informacionit kuantike, të quajtur "teleportation kuantike", i cili të përbashkët disa nga simptomat e listuara më sipër. Ai shtet i panjohur i një sistemi fizik matet dhe më pas riprodhohet, apo "ri-shkon" në vend të largët (elementet fizike të sistemit origjinale mbetet në transferimin vend). Ky proces kërkon mjetet klasike të komunikimit dhe eliminon komunikimit superluminal. Ajo kërkon një jetë të konfuzionit. Në fakt, teleportation mund të shihet si një protokoll të informacionit kuantike që tregon më qartë natyrën e konfuzionit: pa praninë e një shteti të transferimit nuk do të jetë i mundur në kuadër të ligjeve që përshkruajnë mekanikë kuantike.

Teleportation ka luajtur një rol aktiv në zhvillimin e shkencës së informacionit. Nga njëra anë, kjo është një protokoll konceptuale, e cila luan një rol vendimtar në zhvillimin e një formal kuantike teorisë së informacionit, dhe nga ana tjetër ajo është një komponent thelbësor i shumë teknologjive. Kuantike përsëritës - një element kyç i komunikimit në distancë të gjatë. çelsin kuantike teleportation, llogaritje në bazë të matjeve dhe rrjetin kuantike - janë të gjitha derivatet e tyre. Ajo është përdorur si një mjet i thjeshtë për studimin e "ekstrem" të fizikës, në kthesa të përkohshme dhe avullimi i vrimave të zeza.

Sot teleportation kuantike konfirmuar në laboratorët në mbarë botën duke përdorur një shumëllojshmëri të substrate dhe teknologjive, duke përfshirë qubits Photonic, rezonancë magnetike bërthamore, mënyrat optike, grupet e atomeve, atomeve bllokuar dhe sistemet gjysmëpërçues. rezultate të jashtëzakonshme janë arritur në eksperimentet varg teleportation ardhur me satelitët. Për më tepër, u bënë përpjekje për të shkallë deri në sistemet më komplekse.

teleportation i qubits

Quantum teleportation u përshkrua për herë të parë për sistemet dy nivele, të ashtuquajturat qubits. Protokolli duke pasur parasysh dy parti të largëta, të quajtur Alice dhe Bob, të cilët ndajnë qubit 2, A dhe B janë në gjendje të pastër ngatërruar, i quajtur edhe Bell palë. Në hyrje të Alice dhënë një qubit dhe ρ gjendja e të cilit është i panjohur. Ajo pastaj kryen një matje të përbashkët kuantike, e quajti zbulimin e Bell. Ajo mbart një dhe një në një prej katër shteteve Bell. Si rezultat, shteti input i qubit kur matet Alice zhduket dhe Bob B qubit njëkohësisht parashikuar në P ^† _k ρP _k. Në protokollin e fundit hap Alice transmeton një rezultat klasike të matjes së tij Bob, i cili aplikon operatorin Pauli P _k për të rivendosur ρ origjinale.

Gjendja fillestare e një qubit Alice konsiderohet anonim, sepse përndryshe protokolli është reduktuar në matjen e saj të largët. Përveç kësaj, ajo vetë mund të jetë pjesë e një sistemi më të madh të përbërë, të përbashkët me një palë e tretë (në këtë rast teleportation të suksesshëm të gjithë kërkon korrelacion rishikim me këtë palë e tretë).

Një eksperiment tipik i teleportation kuantike merr shtet të pastër origjinale dhe që i përkasin një alfabet të kufizuar, për shembull, gjashtë polet e sferës Bloch. Në prani të cilësisë decoherence të shtetit rindërtuar mund të shprehet në mënyrë sasiore të sakta ∈ teleportation F [0, 1]. Kjo Saktësi mes shteteve të Alice dhe Bob, mesatarisht mbi të gjitha rezultatet e zbulimit të Bell dhe alfabetit origjinal. Për vlera të vogla të saktësisë së metodave ekzistojnë, duke i lejuar për teleportation papërsosur pa burim ndërlikuar. Për shembull, Alice mund të drejtpërdrejt të matur gjendjen e tij origjinale duke dërguar Bob për përgatitjen e shtetit rezultante. Kjo strategji matje-trajnimit të referuara si "teleportation klasike." Ajo ka një saktësi maksimale të _klasës F = 2/3 për çdo shtet input, ekuivalente me alfabetike kushtet reciprokisht të paanshme si sferën Bloch gjashtë polet.

Kështu, një tregues i qartë i përdorimit të burimeve kuantike është një F vlerë saktësi> _{klasës F.}

Jo një qubit vetme

Sipas fizikës kuantike, teleportation i qubits nuk është e kufizuar, ajo mund të përfshijë një sistem multi-dimensionale. Për secilën fundme masës d mund të formulohet ideal teleportation skemë përdorur baza maksimalisht vektorët ngatërruar shtetërore cilat mund të jenë të përftuara nga një gjendje të dhënë ngatërruar maksimalisht dhe një bazë {U _k} Operatorët unitare kënaqshme ^{_{TR (U † j U k)}} = dδ j, k . a protokoll tillë mund të konstruktuar për çdo fundme-Hilbertit hapësirë r. N. sistemet diskrete ndryshueshme.

Për më tepër, teleportation kuantike mund të zbatohet për sisteme me hapësirë të pafund Hilbertit, të quajtur sistemet vazhdimisht variabël. Si rregull, ato janë realizuar nga mënyrat optike Boson, fusha elektrike e cila mund të përshkruhet operatorët kuadraturë.

Shpejtësia dhe pasiguria parim

Çfarë është shpejtësia e teleportation kuantike? Informacione transmetohet me një shpejtësi të ngjashme me shpejtësinë e transmetimit të njëjtin numër klasik - mundësisht me shpejtësinë e dritës. Teorikisht, ajo mund të përdoret në këtë mënyrë, si klasike nuk mund të - për shembull, në informatikë kuantike, ku të dhënat janë në dispozicion vetëm për marrësit.

Shkel teleportation kuantike parimit pasiguri? Në të kaluarën, ideja e teleportation nuk është marrë me të vërtetë seriozisht nga studiuesit, sepse besohej se ajo shkel parimin e ndaluar çdo proces matjen ose skanimi për nxjerrjen e të gjitha atom informacionit ose objekt tjetër. Në përputhje me parimin e pasigurisë, më të saktë objekti është skanuar, aq më shumë ajo është e ndikuar nga procesit të skanimit deri në një pikë është arritur kur gjendja origjinale e objektit të shqetësuar në atë masë sa që më nuk mund të merret informacion të mjaftueshëm për të krijuar një kopje. Kjo tingëllon bindëse: në qoftë se një person nuk mund nxjerrjen e informacionit nga objekti për të krijuar kopje të përsosur, ky i fundit nuk mund të bëhet.

Quantum Teleportation për Dummies

Por gjashtë shkencëtarët (Charles Bennett, zhil Brassar, Claude Crepeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, dhe Uilyam Vuters) ka gjetur një mënyrë rreth kësaj logjike, duke përdorur një funksion festoi dhe paradoksale të mekanikës kuantike të njohura si Einstein-Podolsky-Rosen. Ata gjetën një mënyrë për të scan informacionit teleported objekt A, dhe pjesën e mbetur të paprovuara nëpërmjet efektin e transferimit të objekteve të tjera në kontakt me një kurrë nuk përmbahen.

Më pas, duke aplikuar të ekspozimit C informacionit varur skanuar mund të futen në të shtetit A të kërkoni. Dhe vetë nuk është në të njëjtën gjendje si proces përmbyset skanimit, i arritur në këtë mënyrë është teleportation, jo përsëritje.

Lufta për varg

• teleportation i parë kuantik u zhvillua në vitin 1997, pothuajse në të njëjtën kohë nga shkencëtarët nga Universiteti i Innsbruck dhe Universitetin e Romës. Gjatë eksperimentit një burim foton që ka një polarizim, dhe një nga një palë e fotone dendura janë ndryshuar në mënyrë që të dytë foton origjinale polarizimi pranuar. Kështu të dy fotonet janë spaced nga njëri-tjetri.
• Në vitin 2012, ka pasur një teleportation rregullt kuantike (Kina Universiteti i Shkencës dhe Teknologjisë) përmes liqenit alpin në një distancë prej 97 km. Një ekip shkencëtarësh nga Shanghai udhëhequr nga Juan Iinem arritur të zhvillojë një mekanizëm mendje që lejohet rreze pikërisht në shënjestër.
• Në shtator, një teleportation rekord kuantike në 143 km është kryer në të njëjtin vit. Shkencëtarët austriakë nga Akademia e Shkencave të Austrisë dhe në Universitetin e Vjenës nën drejtimin e Antona Tsaylingera ka transmetuar me sukses shtetet kuantike mes dy ishujt Kanarie të La Palma dhe Tenerife. Eksperimenti përdorur dy linja të komunikimit optike në të hapur, kvantumnaya dhe klasike, frekuenca polarizimi palidhura tangled palë e burimeve fotone, sverhnizkoshumnye detektorë të vetme-foton dhe sinkronizimi tufë orën.
• Në vitin 2015, hulumtuesit nga Instituti Kombëtar Amerikan të Standardeve dhe Teknologjisë për herë të parë e bëri transferimin e informacionit mbi një distancë prej më shumë se 100 km fibër optike. Kjo u bë e mundur në sajë të institutit detektor krijuar foton duke përdorur nanowires superconducting e silicide molibden.

Është e qartë se ideali i një sistemi kuantik apo teknologjia nuk ekziston ende dhe zbulimet e mëdha të së ardhmes është ende për të ardhur. Megjithatë, ne mund të përpiqemi për të identifikuar kandidatët e mundshëm për aplikacione specifike të teleportation. hibridizimi i përshtatshëm ato me kusht bazë të qëndrueshme dhe metodat mund të sigurojë një të ardhme më premtuese për teleportation kuantike dhe aplikimet e saj.

distanca të shkurtra

Teleportation një distancë të shkurtër (1 m) si një Quantum llogaritje nënsistem pajisjet premtuese gjysmëpërçues, të mirë e cila është një diagram të EDK. Në veçanti, qubits superconducting transmonovye mund të garantojë determinist dhe shumë të saktë chip teleportation. Ato gjithashtu lejojnë një rrjedhë të drejtpërdrejtë të kohë reale, e cila duket problematike në patate të skuqura Photonic. Përveç kësaj, ato ofrojnë një arkitekturë shumë të shkallëzuar, dhe integrimin më të mirë të teknologjive ekzistuese në krahasim me metodat e mëparshme, të tilla si joneve të bllokuar. Aktualisht, e vetmja pengesë e këtyre sistemeve me sa duket është koha e tyre e kufizuar koherenca (<100 ms). Ky problem mund të zgjidhet duke përdorur integrimin EDK me qarqeve gjysmëpërçues tjerr qelizat Ansambli kujtesës (azoti-zëvendësohet me vendet e lira apo kristal doped me elemente të tokës të rralla), të cilat mund të ofrojnë një kohë të gjatë koherencës për kuantike e magazinimit të të dhënave. Aktualisht, kjo zbatimi është një çështje për përpjekje më të mëdha të komunitetit shkencor.

lidhje të qytetit

Na teleport në shkallë City (disa kilometra) do të mund të zhvillohet duke përdorur modes optike. Në humbje mjaft të ulët, këto sisteme ofrojnë shpejtësi të lartë dhe bandwidth. Ato mund të zgjatet nga zbatimet desktop të sistemeve të mesme me rreze të veprojnë mbi ajrit ose fibër optike, me integrimin e mundur me një ansambël të kujtesës kuantike. Në distanca të gjata, por me shpejtësi më të ulët mund të arrihet me një qasje hibride ose duke zhvilluar repeaters mira të bazuara në proceset jo-Gaussian.

telekomunikacion

Long-distance teleportation Quantum (mbi 100 km) është një zonë aktive, por ende vuan nga një problem i hapur. qubits Polarizimi - transportuesit më të mira për teleport ulët me shpejtësi mbi linjat e gjata fibra optike të komunikimit dhe nëpërmjet ajrit, por në këtë moment protokolli është një probabilitetit për shkak të zbulimit të paplota Bella.

Edhe pse teleportation probabilist dhe ngatërresë janë të përshtatshme për aplikime të tilla si distilim e ngatërresë dhe kriptografisë kuantike, por ajo është e qartë e ndryshme nga komunikimi në të cilën informacioni input duhet të ruhet plotësisht.

Nëse pranojmë këtë natyrë probabilistic, zbatimi i sateliti janë brenda mundësive të teknologjive moderne. Përveç integrimin e metodave të gjurmimit, problemi kryesor janë humbjet e larta të shkaktuara nga përhapja e rreze. Kjo mund të tejkalohet në një konfiguracion ku ngatërresë është shpërndarë nga sateliti me teleskop tokësor me një hapje të madhe. Duke supozuar aperture satelit prej 20 cm në lartësi 600 km dhe 1 m teleskop aperture në terren, mund të pritet rreth 75 dB e humbjes në një kanal downlink që është më pak se 80 dB humbje në nivelin e tokës. Zbatimi i "satelit tokë" ose "satelit shoqërues" janë më komplekse.

kujtesës kuantike

Përdorimi ardhmja e teleportation, si pjesë e një rrjeti të shkallëzuar është drejtpërdrejt e lidhur me integrimin e saj me kujtesën kuantike. Kjo e fundit duhet të ketë të shkëlqyer në aspektin e efikasitetit ndërfaqes konvertimit "rrezatimi-materies", një saktësi prej regjistrimin dhe leximit, kohën dhe kapacitetit të magazinimit, shpejtësi të lartë dhe kapacitetit të magazinimit. Para së gjithash kjo ju lejon të përdorni repeaters për rritjen e komunikimit përtej transferimit të drejtpërdrejtë duke përdorur kodet korrigjimin e gabimit. Zhvillimi i një kujtim të mirë kuantike do të lejojë jo vetëm për të shpërndarë ngatërresë dhe komunikimin rrjetit teleportation, por edhe lidhur me procesin e informacionit të ruajtur. Në fund të fundit, kjo mund të kthehet në një rrjet të shpërndarë ndërkombëtarisht kompjuterit kuantik ose një bazë për të ardhmen internet kuantike.

zhvillimet premtuese

Ansamblet bërthamore tradicionalisht konsiderohet tërheqëse për shkak të konvertimit të tyre efikas të "dritë-materies" dhe periudhat e tyre të dytë, të magazinimit, të cilat mund të jetë deri në 100 ms e nevojshme për të transmetuar dritën globalisht. Megjithatë, zhvillimet më të avancuara janë tani priten në bazë të sistemeve të gjysmëpërçues, ku tjerr shkëlqyer ansambël kujtesës kuantike integruara direkt me arkitekturën shkallëzuar e qark EDK. Kjo memorie nuk mund të zgjasë kohën koherenca qark EDK, por edhe për të siguruar ndërfaqe optik-mikrovalë për ndërshkëmbimi e telekomunikacionit dhe chip fotone optike mikrovalë.

Kështu, zbulimet e ardhshme të shkencëtarëve në fushën e internetit kuantike janë të ngjarë të jetë i bazuar në komunikimin distancave të gjata optik, njësitë konjuguara gjysmë përcjellëse për përpunimin e informacionit kuantike.