El teletransport quàntic: els grans descobriments dels físics

El teletransport quàntic és un dels protocols més importants de la informació quàntica. Sobre la base dels recursos físics de confusió, és l'element principal de les diverses tasques d'informació i representa una part important de les tecnologies quàntiques que juguen un paper clau en el desenvolupament futur de la computació quàntica, xarxes i comunicacions.

De la ciència ficció als descobriments científics

Han passat més de dues dècades des que es va descobrir el teletransport quàntic, que és probablement una de les conseqüències més interessants i emocionants de "estrany" de la mecànica quàntica. Abans que aquests es van fer grans descobriments, aquesta idea pertanyia al regne de la ciència ficció. En primer lloc inventat el 1931 per Charles H. Fort terme "teletransport", ja que s'ha utilitzat per descriure el procés pel qual el cos i els objectes són transferits d'un lloc a un altre, en realitat no és superar la distància entre ells.

El 1993 es va publicar un article que descriu el protocol de la informació quàntica, anomenat "teletransport quàntic", que va compartir alguns dels símptomes esmentats anteriorment. És estat desconegut d'un sistema físic es mesura i posteriorment reproduït, o "re-va" en el lloc remot (els elements físics del sistema original es mantenen en la transferència de lloc). Aquest procés requereix que els mitjans clàssics de comunicació i elimina la comunicació superlumínica. Es requereix una vida de confusió. De fet, el teletransport pot ser vist com un protocol d'informació quàntica que demostra més clarament la naturalesa de la confusió: sense la presència d'un estat de la transferència no seria possible en el marc de les lleis que descriuen la mecànica quàntica.

Teletransporte ha jugat un paper actiu en el desenvolupament de la ciència de la informació. D'una banda, es tracta d'un protocol conceptual, que exerceix un paper crucial en el desenvolupament d'un oficial quàntica teoria de la informació, i per l'altre és un component fonamental de moltes tecnologies. El repetidor quàntic - un element clau de la comunicació a llarga distància. interruptors quàntics de teletransport, càlcul basat en els mesuraments i xarxa quàntica - són tots derivats dels mateixos. S'utilitza com una eina senzilla per a l'estudi de la "extrema" de la física, en les corbes temporals i l'evaporació dels forats negres.

Avui teletransport quàntic confirmat en laboratoris de tot el món utilitzant una varietat de substrats i tecnologia, com ara qubits fotònics, ressonància magnètica nuclear, les maneres òptics, grups d'àtoms, els àtoms d'atrapat i sistemes de semiconductors. excel·lents resultats s'han aconseguit en els experiments de teletransport gamma ve amb satèl·lits. D'altra banda, es van fer intents per escalar fins a sistemes més complexos.

teletransport de qubits

Quantum teletransport va ser descrit primer per als sistemes de dos nivells, els anomenats qubits. Protocol considerant dues parts remotes, anomenats Alice i Bob, que comparteixen qubit 2, A i B estan en estat entrellaçat pura, també anomenada Campana parell. A l'entrada d'Alice donat una altra qubit i la ρ condició és desconeguda. A continuació, realitza un mesurament quàntica conjunta, anomenat el descobriment de Bell. Es porta a i A en un dels quatre estats de Bell. Com a resultat, l'estat d'entrada de la qubit quan es mesura Alice desapareix i Bob B qubit simultàniament projecta sobre P ^† _k ρP _k. En l'últim protocol de pas Alice transmet un resultat clàssic de la seva mesurament Bob, que aplica l'operador _k Pauli P per restaurar l'original de ρ.

L'estat inicial d'un qubit Alice es considera anònima, perquè en cas contrari el protocol es redueix al seu mesurament a distància. A més, pot ser en si mateix part d'un sistema compost més gran, compartida amb un tercer (en aquest cas el teletransport amb èxit tots requereix correlacions de reproducció amb aquesta tercera part).

Un experiment típic de teletransport quàntic presa estat original pur i que pertany a un alfabet restringit, per exemple, sis pols de l'esfera Bloch. En presència de qualitat decoherence de l'estat reconstruït pot ser expressada quantitativament precisa teletransport F ∈ [0, 1]. Aquesta precisió entre estats d'Alice i Bob, com a mitjana de tots els resultats de detecció de la campana i l'alfabet original. Per a valors petits de l'exactitud dels mètodes d'existir, el que permet teletransport imperfecta sense intricada de recursos. Per exemple, Alice pot mesurar directament el seu estat original mitjançant l'enviament de Bob per a la preparació de l'estat resultant. Aquesta estratègia de formació en la presa denomina "teletransportació clàssica". Té una precisió màxima de F _class = 2/3 per a qualsevol estat d'entrada, l'alfabètic equivalent condicions mútuament recomanacions com ara l'esfera Bloch sis pols.

Per tant, una clara indicació de la utilització dels recursos quàntica és un valor de precisió F> F _Classe.

Ni un sol qubit

D'acord amb la física quàntica, el teletransport de qubits no està limitada, pot incloure un sistema de multi-dimensional. Per a cada mesura finita D pot ser formulat de teletransport esquema ideal usant base com a màxim vectors enredades estatals, que poden obtenir-se a partir d'un estat màximament enredat donat i una base {U _k} operadors unitaris que satisfan ^{_{tr (O † j U k)}} = dδ j, k . un protocol d'aquest tipus pot ser construït per qualsevol finit-espai d'Hilbert r. N. sistemes variables discretes.

D'altra banda, el teletransport quàntic pot aplicar-se a sistemes amb espai infinit de Hilbert, anomenats sistemes de variació contínua. Com a regla general, es realitzen per modes bosons òptics, el camp elèctric que pot ser descrit operadors de quadratura.

La velocitat i la incertesa principi

Quina és la velocitat de teleportació quàntica? La informació es transmet a una velocitat similar a la velocitat de la transmissió de la mateixa quantitat de clàssic - possiblement amb la velocitat de la llum. En teoria, per tant es pot utilitzar, la forma clàssica no pot - per exemple, en la computació quàntica, quan estiguin disponibles les dades només per al receptor.

Teletransporte quàntic no viola el principi d'incertesa? En el passat, la idea de teletransport no és realment pres seriosament pels estudiosos, ja que es creia que viola el principi de prohibició de qualsevol procés de mesurament o d'exploració per extreure tot l'àtom d'informació o un altre objecte. De conformitat amb el principi d'incertesa, el més precís l'objecte s'escaneja, més s'està influït pel procés d'exploració fins que s'arriba a un punt en què l'estat original de l'objecte pertorbat fins al punt que més no es pot obtenir suficient informació per crear una rèplica. Sona convincent: si una persona no pot extreure informació de l'objecte per crear còpies perfectes, aquest últim no es pot fer.

El teletransport quàntic per als maniquís

Però dels sis científics (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, i Uilyam Vuters) van trobar una forma d'evitar aquesta lògica, utilitzant una funció celebrada i paradoxal de la mecànica quàntica coneguda com la d'Einstein-Podolsky-Rosen. Van trobar una forma d'escanejar la informació teleportado objecte A, i la part que no provada restant a través de l'efecte de la transferència d'altres objectes en contacte amb A mai complir.

Posteriorment, mitjançant l'aplicació a l'exposició C informació escanejada dependent pot ser entrat a l'estat de A a escanejar. I ell mateix no està en la mateixa condició que el procés d'exploració invertit, així aconseguit és teletransport, no la replicació.

La lluita per la gamma

• La primera teletransportació quàntica es va dur a terme el 1997 gairebé simultàniament per científics de la Universitat d'Innsbruck i de la Universitat de Roma. Durant l'experiment una font de fotons té una polarització, i una d'un parell de fotons entrellaçats ha canviat de manera que el segon fotó polarització original rebut. Així, tant els fotons estan espaiats els uns dels altres.
• El 2012, hi va haver un teletransport quàntic regular (Universitat Xina de Ciència i Tecnologia) a través del llac alpí, a una distància de 97 km. Un equip de científics de Xangai dirigits per Juan Iinem va aconseguir desenvolupar un mecanisme que permetia suggerent fes precisament dirigida.
• Al setembre, un teletransport quàntic registre en 143 quilòmetres es va dur a terme el mateix any. científics austríacs de l'Acadèmia de Ciències d'Àustria i la Universitat de Viena sota la direcció d'Antona Tsaylingera ha transmès amb èxit estats quàntics entre les dues illes Canàries de La Palma i Tenerife. L'experiment va utilitzar dues línies de comunicació òptiques al, kvantumnaya oberta i clàssica, la freqüència de polarització no correlacionat enredat parell de fonts de fotons, sverhnizkoshumnye detectors de fotó únic i la sincronització del rellotge de l'embragatge.
• El 2015, els investigadors de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia, per primera vegada realitzen la transferència d'informació a una distància de més de 100 km de fibra òptica. Això es va fer possible gràcies a la detector de fotons creat institut utilitzant nanocables superconductors d'siliciuro de molibdè.

És clar que encara no existeix l'ideal d'un sistema quàntic o la tecnologia i els grans descobriments del futur ha de venir. No obstant això, podem intentar identificar possibles candidats per a aplicacions específiques de teletransport. hibridació adequades ells proporcionen de manera consistent i mètodes poden proporcionar el futur més prometedor per teletransport quàntic i les seves aplicacions.

distàncies curtes

Teleportació una distància curta (1 m) com un subsistema de computació quàntica dispositius semiconductors prometedors, la millor de les quals és un diagrama de QED. En particular, els qubits superconductors, transmonovye pot garantir xip de teletransport determinista i d'alta precisió. També permeten un flux directe de temps real, el que sembla problemàtic en xips fotònics. A més, proporcionen una arquitectura més escalable, i una millor integració de les tecnologies existents, en comparació amb els enfocaments anteriors, com ara ions atrapats. Actualment, l'únic inconvenient d'aquests sistemes aparentment és el seu temps de coherència limitat (<100 ms). Aquest problema pot ser resolt mitjançant l'ús de la integració QED amb circuits de semiconductors fan girar les cèl·lules de memòria de conjunt (nitrogen substituït amb vacants o vidre dopats amb elements de terres rares), que poden proporcionar un temps de coherència llarg per al quantum d'emmagatzematge de dades. Actualment, aquesta aplicació és una qüestió de majors esforços de la comunitat científica.

enllaç de la ciutat

Nosaltres teletransportar a l'escala de la ciutat (diversos quilòmetres) podria ser desenvolupat utilitzant les maneres òptics. En prou baixa pèrdua, aquests sistemes proporcionen alta velocitat i ample de banda. Ells poden ser estesos a partir de les implementacions d'escriptori als sistemes d'abast mitjà que operen a través de l'aire o de fibra òptica, amb la possible integració amb un conjunt de memòria quàntica. A través de llargues distàncies, però amb menor velocitat es pot aconseguir mitjançant un enfocament híbrid o mitjançant el desenvolupament de bones repetidors basat en processos no gaussiana.

telecomunicació

Llarga distància teletransport quàntic (més de 100 km) és una àrea activa, però encara pateix d'un problema obert. qubits Polarització - els millors portadors per teletransport de baixa velocitat a través de llargues línies de fibra òptica de comunicació i per l'aire, però en el moment en què el protocol és un probabilístic causa de la detecció incompleta Bella.

Encara teletransport probabilístic i l'entrellaçament són adequats per a aplicacions com ara la destil·lació de l'entrellaçament i la criptografia quàntica, però és clarament diferent de la comunicació en la qual la informació d'entrada ha d'estar completament conservat.

Si acceptem aquesta naturalesa probabilística, la posada en pràctica del satèl·lit estan dins de l'abast de les tecnologies modernes. A més de la integració dels mètodes de seguiment, el principal problema són les altes pèrdues causades per la difusió de la biga. Això es pot superar en una configuració en la qual l'entrellaçament es distribueix des del satèl·lit al telescopi terrestre amb una gran obertura. Suposant obertura de satèl·lit de 20 cm a 600 km d'altura i 1 m telescopi obertura a terra, es pot esperar aproximadament 75 dB de pèrdua en un canal d'enllaç descendent que és menor que 80 dB de pèrdua a nivell del sòl. Implementació del "satèl·lit de la Terra" o "satèl·lit companya" són més complexos.

memòria quàntica

L'ús futur de teletransport com a part d'una xarxa escalable està directament relacionada amb la seva integració amb memòria quàntica. Aquest últim ha de tenir excel·lent en termes d'interfície de conversió eficiència "radiació-matèria ', una precisió de gravació i lectura, temps i capacitat d'emmagatzematge, alta velocitat i capacitat d'emmagatzematge. En primer lloc, li permet utilitzar repetidors per millorar la comunicació més enllà de la transferència directa utilitzant els codis de correcció d'errors. El desenvolupament d'una bona memòria quàntica permetria no només per a distribuir l'embolic i la comunicació en xarxa de teletransport, sinó també connectat per processar informació emmagatzemada. Al final, això podria convertir-se en una xarxa de distribució internacional ordinador quàntic o una base per a la futura Internet quàntica.

desenvolupaments prometedors

conjunts nuclears tradicionalment considerats atractius causa de la seva conversió eficient de la "llum-matèria" i els seus períodes de mil·lisegons d'emmagatzematge, que pot ser de fins a 100 ms necessaris per transmetre la llum a nivell mundial. No obstant això, els desenvolupaments més avançats ara s'espera sobre la base de sistemes de semiconductors, on excel·lents efectes memòria quàntica conjunt integrat directament amb l'arquitectura escalable de circuit QED. Aquesta memòria no només es pot estendre el circuit QED temps de coherència, sinó també per proporcionar interfície òptic-microones per a la interconversió de telecomunicacions i d'encenall de fotons de microones òptics.

Per tant, els futurs descobriments dels científics en el camp d'Internet quàntica és probable que basar-se en la comunicació òptica de llarga distància, les unitats de semiconductors conjugats per al processament d'informació quàntica.