Kvantuma teleportation: la grandaj malkovroj de fizikistoj

Kvantuma teleportation estas unu el la plej gravaj protokoloj en kvantuma informo. Bazita sur la fizikaj rimedoj de konfuzo, estas la ĉefa elemento de la diversaj informoj taskoj kaj reprezentas gravan parton de kvantuma teknologioj ludas ŝlosilan rolon en la plua evoluo de kvantuma komputado, retoj kaj komunikadoj.

El sciencfikcio al sciencaj malkovroj

Ĝi estis pli ol du jardekojn post la malkovro de kvantuma teleportation, kio estas verŝajne unu el la plej interesaj kaj ekscitaj sekvojn de "strangeco" de kvantummekaniko. Antaŭ ĉi tiuj estis faritaj grandaj malkovroj, tiu ideo apartenis al la regno de la scienco fikcio. Unua inventita en 1931 fare de Charles H. Fort termino "teleportation" poste estis uzita por priskribi la procezon per kiu la korpo kaj la objektoj estas transferidos de flanko por la alia, ĝi ne estas vere venki la distanco inter ili.

En 1993 li publikigis artikolon priskribante la protokolon de kvantuma informoj, nomita "kvantuma teleportation", kiu dividis iuj de la simptomoj listigitaj supre. Ĝi nekonata stato de fizika sistemo estas mezurita kaj poste reproduktita, aŭ "re-iri" en la fora retejo (la fizikaj elementoj de la originala sistemo restas en loko transigo). Ĉi tiu procezo postulas la klasika komunikilo kaj eliminas superluminal komunikado. Ĝi postulas vivo de konfuzo. Fakte, teleportation videblas kiel protokolo de kvantuma informo ke plej klare montras la karakteron de la konfuzo: sen la ĉeesto de stato de la transigo ne eblus en la kadro de la leĝoj kiuj priskribas la kvantummekaniko.

Teleportation ludis aktivan rolon en la evoluo de la scienco de informoj. Unuflanke, ĉi tiu estas conceptual protokolon, kiu ludas kernan rolon en la evoluo de formalan kvantuma informa teorio, kaj aliflanke ĝi estas fundamenta komponanto de multaj teknologioj. La kvantuma ripetilo - ŝlosila elemento de longdistanca komunikado. Teleportation kvantuma ŝaltiloj, komputado bazita sur mezuradojn kaj kvantuma reto - estas ĉiuj derivaĵoj de tio. Ĝi estas uzata kiel simpla ilo por la studo de "ekstrema" de fiziko, sur provizora kurboj kaj vaporiĝo de nigraj truoj.

Hodiaŭ kvantuma teleportation konfirmita en laboratorioj tutmonde uzante diversaj substratoj kaj teknologioj, inkluzive photonic qubits, nuklea magneta resono, optika modaloj, grupoj de atomoj, la kaptita atomoj kaj duonkonduktaĵo sistemoj. Elstaraj rezultoj estis atingita en la teleportation gamo alveno eksperimentoj kun satelitoj. Cetere, provoj estis faritaj por grimpi ĝis pli kompleksaj sistemoj.

teleportation de qubits

Kvantuma teleportation estis unue priskribita por la du-nivela sistemoj, la tiel nomata qubits. Protokolo konsiderante du foraj partioj, nomita Alice kaj Bob, kiu dividas kvantumbita 2, A kaj B estas en pura implikita stato, ankaŭ nomita Bell paro. Ĉe la enirejo al Alico donita alian kvantumbita kaj kies kondiĉo ρ estas nekonata. Ĝi tiam elfaras komuna kvantuma mezurado, nomita la malkovro de Bell. Ĝi portas kaj A en unu el la kvar Bell ŝtatoj. Rezulte, la enigo stato de la kvantumbita kiam mezuris Alice malaperas kaj Bob B kvantumbita samtempe projektita sur P ^† _k ρP _k. En la lasta paŝo protokolo Alico transdonas klasika rezulto de lia mezurado Bob, kiu validas Pauli P _k operatoro redoni la originalan ρ.

La komenca stato de kvantumbita Alico estas konsiderata anonima, ĉar alie la protokolo estas reduktita al ĝia fora mezurado. Krome, ĝi povas mem esti parto de pli granda komponigita sistemon, dividita kun tria partio (en ĉi tiu kazo sukcesis teleportation ĉiuj postulas reprodukto correlaciones kun ĉi tria).

Tipa eksperimento de kvantuma teleportation prenas pura origina stato kaj aparteno al limigita alfabeto, ekzemple, ses polusoj de la Bloch sfero. En la ĉeesto de decoherence kvalito de la rekonstruita stato povas esti esprimita kvante preciza teleportation F ∈ [0, 1]. Tiu precizeco inter ŝtatoj de Alice kaj Bob, averaĝis super ĉiuj malkaŝo rezultoj de la Bell kaj la originala alfabeto. Por malgrandaj valoroj de la precizeco de metodoj ekzistas, enkalkulante neperfekta teleportation sen komplikaj rimedo. Ekzemple, Alice povas rekte mezuri sia originala stato sendante Bob por la preparado de la rezulta stato. Tiu mezurado-trejnado strategio nomata kiel "klasika teleportation." Ĝi havas maksimuman precizecon de F _klaso = 2/3 por ajna enigo stato, la ekvivalenta alfabeta reciproke nedekliva kondiĉoj kiel la Bloch sfero ses polusoj.

Tiel, klaran indikon pri la uzo de kvantuma rimedoj estas precizeco valoro F> F _klaso.

Eĉ ne unu kvantumbita

Laŭ kvantuma fiziko, teleportation de qubits ne estas limigita, ĝi povas inkludi multdimensia sistemo. Por ĉiu finia mezuro d povas esti formulita ideala skemo teleportation uzanta bazo maksimume implikita ŝtato vektoroj kiuj povas esti akiritaj de donita maksimume implikita ŝtato kaj bazo {U _k} unuiga operatoroj kontentiganta ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Tia protokolo povas esti konstruita por ĉiu finia-hilberta spaco r. N. diskreta variablo sistemoj.

Plue, kvantuma teleportation povas apliki al sistemoj kun senfina Hilberta spaco, nomita kontinue-variablo sistemoj. Kutime, ili estas realigitaj de optika bosono modoj, la elektra kampo kiu povas esti priskribita kvadraturo operatoroj.

Rapido kaj komenco de necerteco

Kio estas la rapido de kvantuma teleportation? Informo transdonas al rapido simila al la rapido de transdono de la sama nombro de klasika - eble kun la rapido de lumo. Teorie, ĝi povas tiel esti uzita, kiel klasika ne povas - ekzemple, en kvantuma komputado, kie la datumoj estas disponeblaj nur al la ricevanto.

Ĉu kvantuma teleportation malobservas la Necerteco Principo? En la pasinteco, la ideo de teleportation ne vere prenita serioze de kleruloj, ĉar ĝi kredis ke ĝi atencas la principon de malpermesante ajna mezurado aŭ balaita procezo por ĉerpi la tutan informon atomon aŭ aliaj objekto. Konforme al la principo de necerteco, la pli preciza la objekto estas skanita, des pli ĝi estas influita de la balaita procezo ĝis punkto estas atingita kiam la originala stato de la objekto perturbis tiom ke pli ne eblas akiritaj sufiĉan informon por krei replikon. Sonas konvinka: se persono ne povas ĉerpi informon de la objekto por krei perfektan kopioj, tiu lasta ne povas esti farita.

Kvantuma teleportation por Dummies

Sed la ses sciencistoj (Karlo Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres kaj Uilyam Vuters) trovis vojon ĉirkaŭ ĉi tiu logiko, uzante faman kaj paradoksa trajto de kvantummekaniko konata kiel la Einstein-Podolsky-Rosen. Ili trovis manieron skani la informon teletransportado objekto A, kaj la ceteraj neforta parto per la efiko de transigo aliaj objektoj en kontakto kun A neniam toleri.

Poste, per la apliko de C ekspono dependa skanita informo povas okazu la stato A al skani. Kaj li mem ne estas en la sama kondiĉo kiel la renversita balaita procezo, tiel atingita estas teleportation, ne replicación.

La lukto por la gamo

• La unua kvantuma teleportation okazis en 1997 preskaŭ samtempe por sciencistoj de la Universitato de Innsbruck kaj la Universitato de Romo. Dum la eksperimento fotono fonto havanta polarizo, kaj unu el paro da implikitaj fotonoj estis ŝanĝita tiel ke la dua originala polarizo fotono ricevis. Tiel ambaŭ fotonoj estas interspacigitaj unu de la alia.
• En 2012, ekzistis regulaj kvantuma teleportation (Ĉinio Universitato de Scienco kaj Teknologio) tra la alpa lago je distanco de 97 km. Teamo de sciencistoj el Ŝanhajo ĉefita de Johano Iinem sukcesis evoluigi sugesta mekanismon kiu permesis precize celataj trabo.
• En septembro, rekorda kvantuma teleportation sur 143 km efektivigis la sama jaro. Aŭstra sciencistoj el la Akademio de Sciencoj de Aŭstrio kaj la Universitato de Vieno sub la direkto de Antona Tsaylingera sukcese transdonitaj kvantuma ŝtatoj inter ambaŭ Kanarioj de La Palmo kaj Tenerife. La eksperimento uzis du optika komunikado linioj en malfermo, kvantumnaya kaj klasika, ofteco nekorelaciigita polarizo implikita paro de fotonoj fontoj, sverhnizkoshumnye sola fotono detektilojn kaj ovodemetado horloĝo sincronización.
• En 2015, esploristoj de la usona Nacia Instituto de Normoj kaj Teknologio por la unua fojo faris la transigo de informoj trans distanco de pli ol 100 km de optika fibro. Tiu estis ebla danke al la mezlernejo kreita fotono detektilo uzante superconductores nanowires de molibdeno silicide.

Estas klare, ke la idealo de sistemo cuántico aŭ teknologio ankoraŭ ne ekzistas kaj la grandaj malkovroj de la estonteco estas ankoraŭ veni. Tamen, ni povas provi identigi eblajn kandidatojn por specifaj aplikoj de teleportation. Taŭga hibridiĝo ili provizis konsekvenca bazo kaj metodoj povas provizi la plej promesplenaj estonteco por kvantuma teleportation kaj liaj aplikoj.

mallongaj distancoj

Teleportation mallongan distancon (1 m) kiel komputado cuántica subsistemon promesplena semikonduktaĵaj aparatoj, la plej bona de kiuj estas figuro de QED. Aparte, superconductores qubits transmonovye povas garantii determinisma kaj tre preciza teleportation blato. Ili ankaŭ permesas rektan fluon de reala tempo, kio ŝajnas problema sur photonic blatoj. Krome, ili havigas pli skalebla arkitekturo, kaj pli bona integriĝo de ekzistantaj teknologioj kompare al antaŭaj aliroj, kiel ekzemple kaptitaj jonoj. Nuntempe, la sola malavantaĝo de ĉi tiuj sistemoj ŝajne estas ilia limigita kohero tempo (<100 m). Ĉi tiu problemo povas esti solvita uzante QED integriĝo kun duonkonduktaĵo cirkvitoj ŝpinas ensemblo memoro ĉeloj (nitrogeno-anstataŭataj vakantaĵoj aŭ kristalo dopita kun Rara tero), kiu povas provizi longa kohero tempo por la kvantuma de stokado de datumoj. Nuntempe, ĉi tiu efektivigo estas afero por pli grandaj klopodoj de la scienca komunumo.

Urbo ligilo

Nin teletransporti al la urbo skalo (pluraj kilometroj) povus disvolvi uzante la optika modaloj. Ĉe sufiĉe malalta perdo, tiuj sistemoj provizi alta rapido kaj larĝa de bando. Ili povas esti etendita de labortablo implementaciones al duona atingo sistemoj funkcii super la aero aŭ optika fibro, kun ebla integriĝo kun ensemblo de kvantuma memoro. Super longajn distancojn, sed kun pli malalta rapideco povas esti atingita de híbrido alproksimiĝo aŭ per evoluantaj bona ripetiloj bazita sur ne-Gaŭsaj procezoj.

telekomunikado

Longdistanca kvantuma teleportation (pli ol 100 km) estas aktiva areo, sed ankoraŭ suferas de malfermita problemo. Polarizo qubits - la plej bona portantoj por malalta rapido teletransportarse super longa optika fibro linioj de komunikado kaj tra la aero, sed de momento la protokolo estas probableca pro nekompleta malkaŝo Bela.

Kvankam probableca teleportation kaj implikas estas taŭga por aplikoj kiel ekzemple distilado de implikas kaj kvantuma kriptografio, sed estas klare malsamaj de la komunikado en kiu la enigo informo devas esti plene konservita.

Se ni akceptas tiun probableca naturo, la efektivigo de la satelito estas je la dispono de la moderna teknologioj. Krom la integriĝo de sekvado metodoj, la ĉefa problemo estas la altaj perdoj kaŭzitaj de la divulgación de la trabo. Tio povas esti venkita en agordo kie implikas distribuas de la satelito al la tera teleskopo kun granda diafragmo. Supozante satelito aperturo de 20 cm je 600 km alteco kaj 1 m diafragmo teleskopo sur la tero, oni povas atendi ĉirkaŭ 75 dB de perdo en downlink kanalo kiu estas malpli ol 80 dB perdo ĉe la tersurfaco. Efektivigo de la "tero satelito" aŭ "kunulo satelito" estas pli kompleksa.

kvantuma memoro

Estontaj uzo de teleportation kiel parto de pli skalebla reto estas rekte rilatita al lia integriĝo kun kvantuma memoro. Tiu lasta devas havi bonegan laŭ efikeco konvertiĝo interfaco "radiado-afero ', precizeco de registrado kaj legado, tempo kaj kapablo de stokado, alta rapido kaj kapablo de almacenamiento. Unue ĝi permesas uzi ripetiloj por pliboniganta komunikadon ege pretere la rekta transdono uzante la eraro korekto kodoj. La disvolviĝo de bona kvantuma memoro permesus ne nur distribui implikas kaj teleportation reto komunikado, sed ankaŭ konektita procesi stokita informon. Finfine, tio povus igi reton de internacie distribuita kvantuma komputilo aŭ bazo por estontaj kvantuma Interreto.

promesplenaj disvolviĝoj

Nuklea ensembloj tradicie konsiderita alloga pro sia efika konvertiĝo de la "lumo-afero" kaj sia milisegundo periodoj de stokado, kiu povas esti ĝis 100 m bezonis transdoni lumo tutmonde. Tamen, pli progresinta disvolviĝoj nun atendita surbaze de semikonduktaĵaj sistemoj, kie bonega spino ensemblo kvantuma memoro rekte integritaj kun la skalebla arkitekturo de cirkvito QED. Tiu memoro ne nur etendi la koherecon momento cirkviton QED, sed ankaŭ provizi optika-mikroonda interfaco por interkonverton de optika telekomunikado kaj blato mikroonda fotonoj.

Tiel, estontaj malkovroj de sciencistoj en la kampo de kvantuma interreto estas probable esti bazita sur longdistanca optika komunikado, konjugaciitaj semiconductoras unuoj por kvantuma informo prilaborado.