Quantum teleportation: fysikernas stora upptäckter

Quantum teleportation är en av de mestviktiga protokoll i kvantinformation. Baserat på den fysiska resursen för entanglement, tjänar den som huvudelement i olika informationsuppgifter och är en viktig komponent i kvantteknik, som spelar en nyckelroll i den fortsatta utvecklingen av kvantdatorer, nätverk och kommunikation.

Från science fiction till upptäckten av forskare

Det har varit över två decennier sedanupptäckten av quantum teleportation, som kanske är en av de mest intressanta och spännande konsekvenserna av quantemekanikens "främmande" Innan dessa stora upptäckter gjordes var denna idé tillhörde science fiction. Termen "teleportation", först myntade av Charles H. Fort 1931, har sedan dess använts för att hänvisa till processen genom vilken kroppar och föremål överförs från en plats till en annan, utan att faktiskt överbrygga avståndet mellan dem.

År 1993 publicerades en artikel som beskriverett kvantinformationsprotokoll, kallat "quantum teleportation", som separerade flera av de ovan angivna funktionerna. I det mäts det okända tillståndet hos det fysiska systemet och därefter reproduceras eller "återmonteras" på en avlägsen plats (de ursprungliga delarna av det ursprungliga systemet förblir vid överföringspunkten). Denna process kräver klassiska kommunikationsmedel och eliminerar superluminal kommunikation. Det kräver en förankringsresurs. I själva verket kan teleportation betraktas som ett protokoll av kvantinformation som tydligt visar på entanglementets natur: utan att det var närvarande, skulle ett sådant överföringsläge inte ha varit möjligt inom ramen för de lagar som beskriver kvantmekanik.

Teleportation spelar en aktiv roll i utvecklingenvetenskap om information. Å ena sidan är detta ett begreppsmässigt protokoll som spelar en avgörande roll i utvecklingen av en formell kvantteori om information, och å andra sidan är det en grundläggande komponent i många teknologier. En kvantföljare är ett centralt element i fjärrkommunikation. Teleportation av kvantomkopplare, mätbaserade beräkningar och kvantnätverk är alla derivat av det. Den används också som ett enkelt verktyg för att studera "extrem" fysik avseende tidskurvor och förångning av svarta hål.

Idag bekräftas kvantteleleportation ilaboratorier runt om i världen med en mängd olika substrat och teknologier, inklusive fotonqubits, kärnmagnetisk resonans, optiska lägen, atomergrupper, infångade atomer och halvledarsystem. Utestående resultat uppnåddes inom teleportationsområdet, experiment med satelliter kommer. Dessutom har försöken börjat skala till mer komplexa system.

Teleporterande qubits

Quantum teleportation beskrivs först förtvå nivåer system, de så kallade qubits. Protokollet betraktar två avlägsna parter, som kallas Alice och Bob, som skiljer 2 qubits, A och B, i ett rent förvirrat tillstånd, även kallat Bell-paret. Vid ingången ges Alice en annan qubit, vars stat ρ är okänd. Det utför sedan ett gemensamt kvantmått som kallas Bell detection. Det tar A och A till en av Bells fyra stater. Som ett resultat försvinner tillståndet för Alices ingående qubit i mätningen, och Bobs Qubit B projiceras samtidigt på P^†_kρP_k. I sista stadiet av protokollet överför Alice det klassiska resultatet av hennes mätning till Bob, som använder Pauli-operatören P_k för att återställa originalet ρ.

Den initiala situationen för Alice's qubit anses varaokänt, för annars reduceras protokollet till fjärrmätningen. Dessutom kan det själv vara en del av ett större sammansatt system som delas med en tredje part (i detta fall kräver framgångsrik teleportation reproduktionen av alla korrelationer med denna tredje part).

Typiskt Quantum Teleportation ExperimentDet förutsätter att det ursprungliga tillståndet är rent och tillhör ett begränsat alfabet, till exempel, de sex polerna i Bloch-sfären. I närvaro av dekoherens kan kvaliteten hos det rekonstruerade tillståndet uttryckas kvantitativt av teleportationsnoggrannheten F ∈ [0, 1]. Detta är noggrannheten mellan Alice och Bobs stater, i genomsnitt över alla Bells upptäcktsresultat och det ursprungliga alfabetet. För små värden av noggrannhet finns det metoder som tillåter ofullständig teleportation utan att använda en invecklad resurs. Till exempel kan Alice direkt mäta sitt ursprungliga tillstånd genom att skicka resultaten till Bob för att förbereda det resulterande tillståndet. Denna mätberedningsstrategi kallas "klassisk teleportation". Den har maximal noggrannhet f_klass = 2/3 för vilket ingångstillstånd som helst, vilket motsvarar alfabetet av ömsesidigt subjektiva stater, såsom Bloch sfärens sex poler.

Således är ett tydligt tecken på användningen av kvantresurser värdet av noggrannheten F> F_klass.

Sluta inte en

Som kvantfysik säger är teleportering inte detbegränsad till qubits kan den inkludera flerdimensionella system. För varje ändlig dimension d kan ett idealt teleportationsschema formuleras med hjälp av de mest intrasslade tillståndsvektorerna, som kan erhållas från ett givet maximalt intrasslat tillstånd och basen {U_k} enhetsoperatörer som uppfyller tr (U^†_j U_k) = dδ_{j, k}. Ett sådant protokoll kan konstrueras för något ändamålsenligt Hilbert-utrymme, så kallat. diskreta variabla system.

Dessutom kan kvantteleportationsträcker sig till system med oändliga dimensionella Hilbertrum, kallade kontinuerliga variabla system. Som regel realiseras de med optiska bosonlägen, vars elektriska fält kan beskrivas av kvadraturoperatörer.

Hastighet och osäkerhet

Vad är hastigheten för kvantteleportation? Informationen överförs med en hastighet som överensstämmer med överföringshastigheten av samma mängd klassiska - kanske med ljusets hastighet. Teoretiskt kan den användas på ett sådant sätt att den klassiska kan inte - till exempel i kvantkalkylering, där data endast är tillgänglig för mottagaren.

Krossar kvantteleleportation principen?osäkerhet? Tidigare togs inte tanken på teleportation väldigt allvarligt av vetenskapsmän, eftersom det troddes att det strider mot principen att förbjuda varje mät- eller avsökningsförfarande från att extrahera all information om en atom eller ett annat objekt. I enlighet med osäkerhetsprincipen skannas det mer exakt ett objekt, ju mer det påverkas av avsökningsförfarandet tills en punkt uppnås när objektets ursprungliga tillstånd störs i en sådan utsträckning att det inte längre är möjligt att erhålla tillräcklig information för att skapa en exakt kopia. Det här låter övertygande: om en person inte kan extrahera information från ett objekt för att skapa en perfekt kopia, kan den senare inte göras.

Quantum teleportation för dummies

Men sex forskare (Charles Bennett, Gilles Brassard,Claude Krepo, Richard Jos, Asher Perez och William Wouters) hittade ett sätt att kringgå denna logik med hjälp av den kända och paradoxala egenskapen hos kvantmekanik, känd som Einstein-Podolsky-Rosen-effekten. De hittade ett sätt att skanna en del av informationen hos det teleporterade objektet A och överföra den återstående otestade delen till det andra objektet C, som aldrig hade varit i kontakt med A, genom denna effekt.

Vidare, genom att applicera på C-exponering,Beroende på den skannade informationen kan du ange C till tillstånd A innan du skannar. Han själv är inte längre i det här tillståndet, eftersom han har blivit helt förändrad av skanningsprocessen, så det som uppnås är teleportation, inte replikering.

Kämpa för intervall

• Den första kvantteleportationen utfördes i1997 nästan samtidigt av forskare från University of Innsbruck och University of Rome. Under försöket genomgick den ursprungliga fotonen med polarisering och ett av ett par inblandade fotoner en förändring på ett sådant sätt att den andra fotonen mottog en polarisering av originalet. I det här fallet befann sig båda fotonen på avstånd från varandra.
• Under 2012 En annan kvantteleportation (Kina, universitetet för vetenskap och teknik) ägde rum över en sjö med hög höjd på ett avstånd av 97 km. Ett team av forskare från Shanghai ledt av Juan Yin lyckades utveckla en suggestiv mekanism som gjorde att strålen kunde justeras.
• I september samma år, en rekordquantum teleportation på 143 km. Österrikiska forskare från Vetenskapsakademin i Österrike och Universitetet i Wien under ledning av Anton Zeilinger överförde framgångsrikt quantum stater mellan de två kanarieöarna La Palma och Teneriffa. Experimentet använde två optiska kommunikationslinjer i öppet utrymme, kvant och klassiskt, frekvenskorrelerat polariserat intrasslat par fotonkällor, ultraljuds-enkonaktordetektorer och kopplad klocksynkronisering.
• 2015 För första gången sände forskare från American National Institute of Standards and Technology information över ett avstånd på mer än 100 km över fiber. Detta möjliggjordes av en-foton-detektorer som skapades vid institutet med användning av superledande molybden-silikidnanor.

Det är uppenbart att ett ideal kvansystem ellerTekniken finns inte ännu och framtida stora upptäckter är ännu inte kommande. Du kan dock försöka identifiera möjliga kandidater inom specifika områden av teleportation. En lämplig hybridisering av dessa, förutsatt att en kompatibel bas och metod kan ge den mest lovande framtiden för kvantteleportation och dess tillämpningar.

Kort avstånd

Teleportation på korta avstånd (upp till 1 m) somKvantumberäknings delsystemet lovar halvledaranordningar, varav det bästa är QED-kretsen. I synnerhet kan superledande transmon qubits garantera deterministisk och hög precision teleportation på ett chip. De tillåter också direktmatning i realtid, vilket ser problematiskt ut på fotoniska chips. Dessutom ger de en mer skalbar arkitektur och bättre integration av befintlig teknik jämfört med tidigare tillvägagångssätt, till exempel fångade joner. För närvarande verkar den enda nackdelen med dessa system vara deras begränsade sammanhängningstid (<100 μs). Detta problem kan lösas genom att integrera QED-kretsen med halvledarspinn-ensemble-minnesceller (med kväve-substituerade lediga platser eller dopade sällsynta jordartsmetaller av kristaller), vilket kan ge en lång sammanhållningstid för kvantdata lagring. För närvarande är detta genomförande föremål för stor insats av det vetenskapliga samfundet.

Stadsanslutning

Stadsomfattande teleportationskommunikation(flera kilometer) kan utvecklas med hjälp av optiska lägen. Med tillräckligt låga förluster ger dessa system höga hastigheter och bandbredd. De kan utökas från stationära implementeringar till medelstora system som arbetar över luften eller fibern, med möjlig integration med ensemble-kvantminnet. Längre avstånd, men med lägre hastigheter, kan uppnås med hjälp av ett hybrid-tillvägagångssätt eller genom att utveckla bra repeaters baserat på icke-gaussiska processer.

Långt avstånd

Långdistans kvanttel Teleportation (mer än 100km) är ett aktivt område, men lider fortfarande av ett öppet problem. Polariseringsqubits är de bästa bärarna för låghastighets teleportation via fiberoptiska kommunikationslinjer och över luften, men protokollet är för närvarande probabilistiskt på grund av ofullständig Bell Detection.

Även om probabilistisk teleportation och entanglementacceptabelt för uppgifter som entanglement-destillation och kvantkryptografi, men detta skiljer sig klart från kommunikation, där inmatningsinformationen måste vara helt bevarad.

Om vi ​​tar denna probabilistiska karaktär,Satellitimplementationer är inom räckhåll för modern teknik. Förutom att integrera spårningsmetoder är huvudproblemet hög förlust som orsakas av strålspridning. Detta kan övervinnas i en konfiguration där entanglement distribueras från satellitbaserade teleskop med stor bländare. Om man antar en satellitöppning på 20 cm vid en 600 km höjd och 1: a hålet på teleskopet på marken, kan vi förvänta oss 75 dB förlust i nedlänkskanalen, vilket är mindre än 80 dB förlust på marknivå. Jord-till-satellit eller satellit-till-satellit-implementeringar är mer komplexa.

Kvantminnet

Den framtida användningen av teleportation somEn integrerad del av ett skalbart nätverk är direkt beroende av dess integration med kvantminnet. Den senare bör ha en utmärkt, när det gäller konverteringseffektivitet, gränssnitt för strålning, inspelning och läsnoggrannhet, lagringstid och bandbredd, hög hastighet och lagringskapacitet. För det första kommer detta att tillåta användningen av repeaters att expandera kommunikationen långt bortom direktöverföringen med hjälp av felkorrigeringskoder. Utvecklingen av ett gott kvantminne skulle tillåta att inte bara distribuera förtrollningen över nätverket och teleportationskommunikationen, utan också bearbetar den lagrade informationen koherent. I slutändan kan detta göra nätverket till en världsomspänt distribuerad kvantdator eller en grund för det framtida kvantumet Internet.

Perspektivutveckling

Atom-ensembler betraktades traditionelltattraktivt på grund av sin effektiva ljus-till-ljusomvandling och deras millisekunder lagringsperioder, som kan nå 100 ms som krävs för att överföra ljus på global nivå. Ändå förväntas mer lovande utveckling idag på grundval av halvledarsystem, där utmärkt centrifugeringsminnesminne integreras direkt med den skalbara QED-kretsarkitekturen. Det här minnet kan inte bara förlänga QED-kretsens sammanhangstid, men ger också ett optiskt mikrovågsgränssnitt för interkonvertering av optiska telekommunikations- och chipmikrofoton.

Således kommer de framtida upptäckterna av forskare inom kvantum Internet sannolikt att baseras på optisk kommunikation med långdistans i kombination med halvledarknutor för behandling av kvantinformation.

</ p>>