Kwantum teleportation: de grutte ûntdekkings fan natuerkundigen

Kwantum teleportation is ien fan de meast wichtige protokollen yn kwantum ynformaasje. Op basis fan de fysike middels fan betizing, it is it wichtichste elemint fan de ferskate ynformaasje taken en fertsjintwurdiget in wichtich part fan it kwantum technologyen spylje in wichtige rol yn de fierdere ûntwikkeling fan it kwantum Computing, netwurken en kommunikaasje.

Fan science fiction oan wittenskiplike ûntdekkingen

It hat al mear as twa desennia sûnt de ûntdekking fan it kwantum teleportation, dat is nei alle gedachten ien fan de meast nijsgjirrige en spannende gefolgen fan "frjemdens" fan de kwantummeganika. Foar't dy waarden makke grutte ûntdekkingen, dit idee hearde ta it ryk fan 'e science fiction. Earst útfûn yn 1931 troch Karel H. Fort term "teleportation" sûnttiids brûkt om beskriuwe it proses troch dat it lichem en de foarwerpen wurde oerdroegen fan it iene plak nei it oare, it is net echt oerwinnen de ôfstân tusken harren.

Yn 1993 publisearre er in artikel beskriuwing fan de protokol fan it kwantum ynformaasje, neamd "kwantum teleportation", dy't dielde guon fan de symptomen listed hjirboppe. It ûnbekende steat fan in fysyk systeem wurdt metten en dêrnei opnommen, of "opnij going" yn de ôfstân site (it fysike eleminten fan it oarspronklike systeem bliuwe yn plak oerdracht). Dat proses fereasket de klassike kommunikaasjemiddels en elimineert superluminal kommunikaasje. It freget om in libben fan betizing. Yn feite, teleportation kin besjoen wurde as in protokol fan kwantum ynformaasje dy't meast dúdlik tsjûget it aard fan 'e betizing: sûnder de oanwêzigens fan in steat fan de oerdracht soe net mooglik binnen it ramt fan' e wetten dy't beskriuwe de kwantummeganika.

Teleportation hat spile in aktive rol yn de ûntwikkeling fan de wittenskip fan de ynformaasje. Oan 'e iene kant, dit is in begryp protokol, dy't spilet in krúsjale rol yn de ûntwikkeling fan in formeel kwantum ynformaasje teory, en oan de oare it is in fûnemintele komponint fan in soad techniken. De kwantum Repeater - in toets elemint fan lange-ôfstân kommunikaasje. Teleportation kwantum SWITCH computation basearre op waarnimmings kwantum netwurk - binne allegear ôfliedingen dêrfan. It wurdt brûkt as in ienfâldich ynstrumint foar de stúdzje fan "ekstreme" fan natuerkunde, op tydlike rûningen en ferdamping fan swarte gatten.

Hjoed kwantum teleportation befêstige yn laboratoaria om de wrâld mei help fan in ferskaat oan substrates en technologyen, ynklusyf photonic qubits, nukleêre magnetysk resonânsje, optyske modes, groepen fan atomen, de opsluten atomen en semiconductor systemen. Iepensteande winst boekt yn de teleportation berik kommende eksperiminten mei satelliten. Boppedat waard der al besocht om opskaling oant mear yngewikkelde systemen.

teleportation fan qubits

Quantum teleportation waard earst beskreaun foar de twa-nivo systemen, de saneamde qubits. Protokol deroer twa ôfstân partijen, neamd Alice en Bob, dy't diele qubit 2, A en B binne yn suver ferknotte steat, ek neamd Bell pear. By de yngong nei Alice jûn in oare qubit en wêrfan betingst ρ is ûnbekend. It dan fiert in mienskiplike kwantum mjitting, neamd de ûntdekking fan Bell. It draacht in en A yn ien fan 'e fjouwer Bell steaten. As gefolch, de ynfier steat fan de qubit doe't mjitten Alice ferdwynt en Bob B qubit tagelyk projektearre op P ^† _k ρP _k. Yn de lêste stap protokol Alice stjoert in klassike resultaat fan syn mjitting Bob, dy't jildt Pauli P _k operator te werstellen de oarspronklike ρ.

De begjinstân steat fan in qubit Alice wurdt beskôge as anonym, omdat oars it protokol wurdt werombrocht nei syn ôfstân mjitting. Dêrneist kin sels wêze ûnderdiel fan in grutter gearstalde systeem, dield mei in tredde partij (yn dit gefal súksesfol teleportation alles freget Wiedergabe correlations mei dizze tredde partij).

In typysk eksperimint fan kwantum teleportation fynt suver orizjinele steat en dy't ta in beheind alfabet, bygelyks, seis poalen fan 'e Bloch bol. Yn de oanwêzigens fan decoherence kwaliteit fan de rekonstruearre steat kin útdrukt wurde kwantitatyf accurate teleportation F ∈ [0, 1]. Dit krektens tusken steaten fan Alice en Bob, averaged oer al it opspoaren resultaten fan it Bell en de oarspronklike alfabet. Foar lytse wearden fan 'e krektens fan metoaden bestean, wêrtroch't foar ûnfolsleine teleportation sûnder yngewikkelde boarne. Bygelyks, Alice kin streekrjocht mjitten syn oarspronklike steat troch stjoeren Bob foar de tarieding fan it sadwaande in steat. Dit mjitting-training strategy oantsjutten as "klassike teleportation." It hat in maksimum krektens fan F _class = 2/3 foar eltse ynfier steat, de lykweardich alphabetical mutually Unbiased omstannichheden lykas de Bloch bol seis peallen.

Sa, in dúdlike oantsjutting fan it brûken fan kwantum middels is in precision wearde F> F _klasse.

Net ien qubit

Neffens kwantumfysika, teleportation fan qubits is net beheind, kin ûnder oare in multi-dimensionale systeem. Foar elts einige maatregel d kin wurde formulearre ideale scheme teleportation brûkend basis maksimaal ferknotte steat Vectors dêr't kinne jo opfreegje by in jûn maksimaal ferknotte steat en in basis {U _k} unitêre operators foldwaning jaan ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Sa'n protokol kin oanlein wurde foar elke einich-Hilbert romte r. N. diskrete fariabele systemen.

Fierders kwantum teleportation kin jilde foar systemen mei ûneinige Hilbert romte, neamd kontinu-fariabele systemen. As regel, se binne realisearre troch optyske boson modi, it elektrysk fjild, dat kin wurde beskreaun quadrature operators.

Faasje en ûnwissens begjinsel

Wat is de snelheid fan de kwantumfysika teleportation? Ynformaasje wurdt oerdroegen op in snelheid te ferlykjen mei de snelheid fan de oerdracht fan itselde oantal klassyk - mooglik mei de ljochtsnelheid. Teoretysk, it kin dus brûkt wurde, hoe't klassike kin net - bygelyks, yn kwantum Computing, dêr't de gegevens binne beskikber allinne foar de ûntfanger.

Does kwantum teleportation violate de ûnwissichheid Principle? Yn it ferline, it idee fan teleportation wurdt net echt serieus troch gelearden, omdat it waard leaude dat it yn striid is it prinsipe fan ferbean gjin mjitten of skennen proses te ekstrahearje alle ynformaasje atoom of oare foarwerp. Yn oerienstimming mei it begjinsel fan de ûnwissigens, de mear sekuer it foarwerp is scand, hoe mear it is beynfloede troch it skennen proses oant in punt is berikt as de oarspronklike steat fan it foarwerp steurd oan sa'n omfang dat mear kin net krigen wurde genôch ynformaasje te meitsjen fan in replika. It klinkt oertsjûgjende: As in persoan kin net útpakt ynformaasje fan it foarwerp te meitsjen perfekte kopyen, de lêste kin net dien wurde.

Quantum Teleportation foar Dummies

Mar de seis wittenskippers (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Azer Peres, en Uilyam Vuters) fûn in manier om dizze logika, mei help fan in romrofte en paradoksale skaaimerk fan de kwantummeganika bekend as de Einstein-Podolsky-Rosen. Sy fûn in manier om troch te rinnen de ynformaasje teleported foarwerp A, en de oerbleaune untested diel fia it effekt fan de oerdracht oare objekten yn kontakt mei in nea abide.

Dêrnei, troch it oanbringen ta C exposure dependent scand ynformaasje kin wurde ynfierd yn de steat A te skennen. En himsels is net yn deselde steat as de omkearde skennen proses, dus berikt is teleportation, gjin witten.

De striid foar it berik

• De earste kwantum teleportation fûn plak yn 1997 hast tagelyk troch wittenskippers fan de Universiteit fan Innsbruck en de Universiteit fan Rome. Tidens it eksperimint in foton boarne hawwende in polarisaasje, en ien fan in pear ferknotte fotoanen is feroare sadat it twadde oarspronklike polarisaasje Photon ûntfongen. Sa beide fotoanen wurde spaced út elkoar.
• Yn 2012, wie der in reguliere kwantum teleportation (China Universiteit fan Wittenskip en Technology) troch de alpine mar op in ôfstân fan 97 km. In team fan wittenskippers út Shanghai ûnder lieding fan Juan Iinem slagge it ûntwikkeljen fan in suggestive meganisme dat tastien krekt gerichte beam.
• Yn septimber, in rekord kwantum teleportation op 143 km waard útfierd datselde jiers. Eastenrykske wittenskippers fan de Akademy fan Wittenskippen fan Eastenryk en de Universiteit fan Wenen ûnder de rjochting fan Antona Tsaylingera hat mei súkses ferstjoerd kwantum steaten tusken de twa Kanaryske eilannen fan La Palma en Tenerife. It eksperimint brûkt twa optyske kommunikaasje rigels yn 'e iepen, kvantumnaya en klassike, frekwinsje uncorrelated polarisaasje libben oan pear fotoanen boarnen, sverhnizkoshumnye single-foton Detectors en clutch klok syngronisaasje.
• Yn 2015 hawwe ûndersikers fan de Amerikaanske Nasjonaal Ynstitút fan noarmen en Technology foar it earst makke de oerdracht fan ynformaasje oer in ôfstân fan mear as 100 km fan glêstried. Dat is mooglik makke tanksij it ynstitút skepen foton detektor brûkend superconducting nanowires fan Molybdenum silicide.

It is dúdlik dat it ideaal fan in kwantum systeem of technology net noch bestiet en de grutte fynsten fan 'e takomst is noch te komme. Lykwols, wy kinne besykje te identifisearjen mooglike kandidaten foar spesifike tapassings fan teleportation. Geskikt hybriden se foarsjoen konsekwint basis en metoades kinne foarsjen de meast kânsrike takomst foar Quantum teleportation en syn applikaasjes.

koarte ôfstannen

Teleportation in koarte ôfstân (1 m) as in kwantum computation subsysteem ûnthjit semiconductor apparaten, it bêste fan wat is in skema fan QED. Yn it bysûnder, superconducting qubits transmonovye kinne garandearje deterministysk en tige sekuere teleportation chip. Se ek tastean in direkte stream fan real-time, dat liket problematysk op photonic chips. Boppedat, se soargje foar in mear scalable arsjitektuer, en bettere yntegraasje fan besteande techniken lykas ferliking mei foargeande oanpakken, lykas opsletten ioanen. Op it stuit, it ienige neidiel fan dizze systemen blykber is har beheinde gearhing tiid (<100 ms). Dit probleem oplost wurde kin troch it brûken fan QED yntegraasje mei semiconductor circuits spinne ensemble ûnthâld sellen (stikstof-wiksele mei fakatueres of crystal doped mei seldsume ierde eleminten), dat kin soargje foar in lange gearhing tiid foar it kwantum fan gegevens opslach. Op it stuit, dit útfieringsprogramma is in saak foar gruttere ynset fan 'e wittenskiplike mienskip.

city link

Us teleport nei de stêd skaal (inkele kilometers) koe wurde ûntwikkele mei help fan it optischen stannen. By foldwaande lege ferlies, dy systemen jouwe hege snelheid en bânbreedte. Se kinne wurde ferlingd fan buroblêd ymplemintaasje nei medium-range systemen operearren oer de lucht of glêstried, mei mooglik yntegraasje mei in ensemble fan de kwantumfysika ûnthâld. Oer lange ôfstannen, mar mei legere snelheid kin berikt wurde troch in hybride oanpak of troch it ûntwikkeljen fan goede repeaters basearre op non-Gaussiaansk prosessen.

Telecommunication

Lange-ôfstân kwantum teleportation (mear as 100 km) is in aktive gebiet, mar noch hieltyd lijt oan in iepen probleem. Polarisaasje qubits - de bêste dragers foar lege-speed teleport oer lange Fiber Optic rigels fan kommunikaasje en troch de loft, mar op it stuit it protokol is in probabilistic fanwege ûnfolslein detection Bella.

Hoewol't probabilistic teleportation en knope binne geskikt foar tapassings lykas destillaasje fan knope en kwantum kryptografyske, mar it is dúdlik oars as de kommunikaasje wêryn de ynfier ynformaasje moat folslein bewarre bleaun.

As wy akseptearje dat probabilistic natuer, de útfiering fan de satellyt binne binnen it berik fan de moderne techniken. Njonken de yntegraasje fan folgjen metoaden, de wichtichste probleem binne de hege ferliezen feroarsake troch it útriden fan de bondel. Dit kin oerwinnen yn in konfiguraasje dêr't knope wurdt ferspraat fanút de satellyt oan de ierdske teleskoop mei in grut aperture. Útgeande fan satellyt aperture fan 20 sm op 600 km hichte en 1 meter diafragma teleskoop op 'e grûn, men kin ferwachtsje likernôch 75 dB fan ferlies yn in downlink kanaal dat is minder as 80 dB ferlies op meanfjild. Útfiering fan de "ierde satellyt" of "companion satellyt" binne komplekser.

kwantum ûnthâld

Takomstige gebrûk fan teleportation as ûnderdiel fan in scalable netwurk is direkt besibbe oan har yntegraasje mei kwantum ûnthâld. Dat lêste moat hawwe spektakulêre kwa effisjinsje ombou interface "strieling-stof ', in krektens fan de opname en lêzen, tiid en opslach kapasiteit, hege snelheid en opslachkapasiteit. Earst fan alle It jout jo de mooglikheid om te brûken repeaters foar fergrutting kommunikaasje fier bûten de direkte oerdracht mei help fan de flater korreksje koades. De ûntwikkeling fan in goede kwantum ûnthâld soe tastean net allinne te fersprieden knope en teleportation netwurk kommunikaasje, mar ek ferbûn te ferwurkjen bewarre ynformaasje. Uteinlik, dit kin draaie yn in netwurk fan ynternasjonaal ferspraat kwantum kompjûter of in basis foar takomstige kwantum ynternet.

ûnthjitte ûntwikkelings

Nuclear ensembles âlds beskôge oantreklik fanwege harren effisjint bekearing fan 'e "light-saak" en harren millisecond perioaden fan opslach, dy't kin oprinne oant 100 ms nedich te zenden ljocht mondiaal. Mar mear avansearre ûntwikkelings wurde no ferwachte oan 'e basis fan semiconductor systemen, dêr't poerbêst spin ensemble kwantum ûnthâld direkt yntegrearre mei de scalable arsjitektuer fan sirkwy QED. Dit ûnthâld kin net allinne útwreidzje de gearhing tiid circuit QED, mar ek te bieden optische-magnetron ynterface foar it interconversion fan optyske Telecommunication en chip magnetron fotoanen.

Sa, takomst ûntdekkingen fan wittenskippers op it mêd fan kwantum ynternet binne nei alle gedachten basearre op lange-ôfstân optyske kommunikaasje, conjugated semiconducting ienheden foar Quantum ynformaasje ferwurkjen.