Quantum teleportation: mga pinakamagandang tuklas ng physicists

Quantum teleportation ay isa sa mga pinaka-mahalagang mga protocol sa kabuuan ng impormasyon. Batay sa mga pisikal na mga mapagkukunan ng pagkalito, ito ay ang pangunahing elemento ng iba't-ibang mga gawain ng impormasyon at kumakatawan sa isang mahalagang bahagi ng quantum teknolohiya sa pag-play ng isang pangunahing papel sa karagdagang pag-unlad ng quantum computing, networking at mga komunikasyon.

Mula sa agham bungang-isip sa siyentipikong pagtuklas

Ito ay higit sa dalawang dekada dahil ang pagtuklas ng quantum teleportation, na kung saan ay marahil ang isa sa mga pinaka-interesante at kapana-panabik na kahihinatnan ng "kakatwaan" ng quantum mechanics. Bago ito ay ginawa dakilang discoveries, ideya na ito-aari sa larangan ng science fiction. Unang imbento sa 1931 sa pamamagitan ng Charles H. Fort salitang "pag-teleport" mula noon ay ginagamit upang ilarawan ang proseso kung saan ang katawan at ang mga bagay ay inililipat mula sa isang lugar patungo sa isa pa, ito ay hindi talagang pagtagumpayan ang distansya sa pagitan ng mga ito.

Sa 1993 siya nai-publish ang isang artikulo na naglalarawan sa mga protocol ng kabuuan ng impormasyon, na tinatawag na "quantum teleportation", na nagbahagi ang ilan sa mga sintomas na nakalista sa itaas. Ito ay kilalang katayuan ng isang pisikal na sistema ay sinusukat at magkakasunod na muling ginawa, o "muling pagpunta" sa remote site (ang pisikal na elemento ng orihinal na sistema mananatili sa lugar transfer). Ang prosesong ito ay nangangailangan ng classical na paraan ng komunikasyon at nag-aalis superluminal komunikasyon. Nangangailangan ito ng isang buhay ng pagkalito. Sa katunayan, pag-teleport maaaring matingnan bilang isang protocol ng kabuuan ng impormasyon na ang karamihan sa malinaw na nagpapakita ng likas na katangian ng kaguluhan ang bayan: walang ang presensya ng isang estado ng transfer ay hindi magiging posible sa loob ng balangkas ng mga batas na naglalarawan sa quantum mechanics.

Teleportation ay nilalaro ng isang aktibong papel sa pag-unlad ng agham ng impormasyon. Sa isang banda, ito ay isang haka-haka protocol, na kung saan ay gumaganap ng isang mahalaga papel sa pag-unlad ng isang pormal na quantum impormasyon teorya, at sa kabilang ito ay isang pangunahing bahagi ng maraming mga teknolohiya. Ang kabuuan repeater - isang mahalagang sangkap ng malayuan komunikasyon. Teleportation quantum switch, pag-compute base sa sukat at quantum network - ay ang lahat ng derivatives hinggil doon. Ito ay ginagamit bilang isang simpleng kasangkapan para sa pag-aaral ng "extreme" ng pisika, sa pansamantalang curves at singaw ng black hole.

Ngayon quantum teleportation nakumpirma sa laboratoryo sa buong mundo gamit ang iba't ibang substrates at teknolohiya, kabilang ang photonic qubits, nuclear magnetic resonance, optical mga mode, mga grupo ng mga atoms, trap atoms at mga sistema ng semiconductor. Natitirang mga resulta ay nakakamit sa pag-teleport range pagdating eksperimento na may mga satellite. Bukod dito, mga pagtatangka ay ginawa upang masukat hanggang sa mas kumplikadong mga sistema.

pag-teleport ng qubits

Quantum teleportation ay unang inilarawan para sa mga sistema ng dalawang-antas, ang tinatawag na qubits. Protocol alang ang dalawang remote partido, na tinatawag na Alice at Bob, na ibahagi qubit 2, A at B ay nasa dalisay na kayong pasakop na estado, na tinatawag ding Bell pares. Sa pasukan Alice ibinigay ng isa pang qubit at ang kanyang kalagayan ρ ay hindi kilala. pagkatapos ay gumaganap Ito ay isang pinagsamang kabuuan na pagsukat, na tinatawag na ang pagtuklas ng Bell. Ito ay nagdadala ng a at A sa isa sa apat na Bell estadong ito. Bilang isang resulta, ang input estado ng qubit kapag sinusukat Alice mawala at Bob B qubit sabay na inaasahang sa P ^† _k ρP _k. Sa huling hakbang protocol Alice nagpapadala ng isang classical na resulta ng kanyang sukatan Bob, na nalalapat Pauli P _k operator upang ibalik ang orihinal na ρ.

Ang paunang estado ng isang qubit Alice ay itinuturing na anonymous, dahil kung hindi man ang protocol ay nabawasan sa kanyang remote pagsukat. Bilang karagdagan, maaari mismo ito ay bahagi ng mas malaking composite system, ibinahagi sa isang third party (sa kasong ito matagumpay na pag-teleport ang lahat ay nangangailangan ng pag-playback kaugnayan na may third party).

Ang isang tipikal na eksperimento ng quantum teleportation ay tumatagal ng purong orihinal na estado at pag-aari sa isang restricted alpabeto, halimbawa, anim na pole ng Bloch globo. Sa pagkakaroon ng decoherence kalidad ng mga reconstructed estado maaaring ipinahayag quantitatively tumpak na pag-teleport F ∈ [0, 1]. Ito kawastuhan pagitan ng mga estado ng Alice at Bob, average sa lahat ng mga resulta ng pagtuklas ng Bell at ang orihinal na alpabeto. Para sa maliit na mga halaga ng ang katumpakan ng mga pamamaraan na umiiral, na nagpapahintulot para sa di-sakdal na pag-teleport walang mga buhol-buhol na mapagkukunan. Halimbawa, Alice maaaring direktang masukat orihinal na katayuan nito sa pamamagitan ng pagpapadala ng espongha Bob para sa paghahanda ng ang nagreresultang estado. Ito pagsukat-training diskarte tinutukoy bilang "classical pag-teleport." Ito ay may isang maximum na katumpakan ng F _class = 2/3 para sa anumang input ng estado, ang katumbas alpabetikong kapwa walang kinikilingang mga kondisyon tulad ng mga Bloch globo anim na pole.

Samakatuwid, ang isang malinaw na pahiwatig ng paggamit ng quantum resources ay isang precision halaga ng F> F _class.

Walang kahit isang qubit

Ayon sa quantum physics, pag-teleport ng qubits ay hindi limitado, maaari itong isama ang isang multi-dimensional na sistema. Para sa bawat hangganan sukatan d maaaring formulated mainam scheme pag-teleport gamit na batayan maximally lulong vectors estado na kung saan ay maaaring makuha mula sa isang naibigay na maximally na kayong pasakop na estado at isang batayan {U _k} unitary operator na nagbibigay-kasiyahan ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Ang nasabing protocol ay maaaring constructed para sa anumang takda-Hilbert space r. N. discrete variable sistema.

Higit pa rito, quantum teleportation ay maaaring ilapat sa mga sistema na may walang katapusan na Hilbert space, na tinatawag na patuloy na-variable sistema. Bilang isang panuntunan, ang mga ito ay maisasakatuparan sa pamamagitan ng optical boson mode, ang electric field na maaaring inilarawan kuwadratura operator.

Bilis at kawalan ng katiyakan prinsipyo

Ano ang bilis ng quantum teleportation? Ang impormasyon ay ipinadala sa isang bilis na katulad ng bilis ng paghahatid ng parehong bilang ng mga klasikong - posibleng kasama sa bilis ng liwanag. Theoretically, maaari itong gayon ay maaaring gamitin, kung paano hindi classical Maaari - halimbawa, sa quantum computing, kung saan ang data ay magagamit lamang sa mga tatanggap.

Ba ang quantum teleportation lumalabag sa Kawalang-kasiguraduhin Prinsipyo? Sa nakaraan, ang ideya ng pag-teleport ay hindi talagang kinuha sineseryoso ng mga iskolar, dahil ito ay naniniwala na ito ay lumalabag sa prinsipyo ng pagbabawal ng anumang pagsukat o pag-scan proseso upang kunin lahat ng impormasyon na atom o iba pang mga bagay. Alinsunod sa mga prinsipyo ng kawalan ng katiyakan, ang mas tumpak ang bagay ay ini-scan, ang mas maraming ito ay naiimpluwensyahan sa pamamagitan ng proseso ng pag-scan hanggang sa isang punto ay naabot kapag ang orihinal na estado ng mga bagay nabalisa sa naturang isang lawak na mas hindi maaaring makuha ng sapat na impormasyon upang lumikha ng isang sipi. Ito tunog kapani-paniwala: kung ang isang tao ay hindi maaaring kunin ang impormasyon mula sa object upang lumikha ng perpektong mga kopya, ang huli ay hindi maaaring tapos na.

Quantum Teleportation para sa mga manika

Ngunit ang anim na mga siyentipiko (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, at Uilyam Vuters) na natagpuan ng isang paraan sa paligid ng logic na ito, gamit ang isang bantog at makabalighuan tampok ng quantum mechanics na kilala bilang ang Einstein-Podolsky-Rosen. Sila ay natagpuan ng isang paraan upang i-scan ang mga impormasyon teleported object A, at ang natitirang untested bahaging ito sa pamamagitan ng ang epekto ng paglipat ng iba pang mga bagay sa contact na may isang hindi sumunod.

Kasunod, sa pamamagitan ng paglalapat sa C exposure nakasalalay scan na impormasyon ay maaaring ipinasok sa estado A upang i-scan. At ang kanyang sarili ay hindi sa parehong kalagayan bilang ang reverse proseso ng pag-scan, kaya nakamit ay pag-teleport, hindi pagtitiklop.

Ang pakikibaka para sa hanay

• Ang unang quantum teleportation ay naganap noong 1997 halos sabay-sabay sa pamamagitan ng mga siyentipiko mula sa University of Innsbruck at sa University of Rome. Sa panahon ng eksperimento ang isang poton source na ang pagkakaroon ng isang polariseysyon, at ang isa sa isang pares ng aligutgot photons ay nabago sa gayon ay ang ikalawang orihinal na polariseysyon photon natanggap. Sa ganito'y kapuwa photons ay may pagitan mula sa bawat isa.
• Noong 2012, nagkaroon ng isang regular na pag-teleport quantum (China University of Science and Technology) sa pamamagitan ng alpine lawa sa layo na 97 km. Isang koponan ng mga siyentipiko mula sa Shanghai sa pangunguna ni Juan Iinem pinamamahalaang upang bumuo ng isang pasaring mekanismo na pinapayagan tiyak na pinatatamaan beam.
• Noong Setyembre, ang isang talaan quantum teleportation sa 143 km ay natupad sa parehong taon. Austrian siyentipiko mula sa Academy of Sciences ng Austria at ang University of Vienna sa ilalim ng direksyon ng Antona Tsaylingera ay matagumpay na nakukuha sa estado kabuuan sa pagitan ng dalawang Canary Islands ng La Palma at Tenerife. Ang eksperimento na ginagamit ng dalawang optical linya ng komunikasyon sa bukas, kvantumnaya at klasikal, kadalasan uncorrelated polariseysyon gusot pares ng photons pinagkukunan, sverhnizkoshumnye single-poton detector at nasa kamay ng orasan synchronization.
• Sa 2015, mga mananaliksik mula sa US National Institute of Pamantayan at Teknolohiya para sa unang pagkakataon ginawa ang paglipat ng impormasyon sa loob ng isang distansya ng higit sa 100 km ng optical fiber. Ito ay ginawa posible salamat sa institute nilikha poton detektor gamit superconducting nanowires ng molibdenum silicide.

Ito ay malinaw na ang mga ideal ng isang sistema quantum o teknolohiya ay hindi pa umiiral at ang mga mahusay na mga pagtuklas ng hinaharap ay pa na dumating. Gayunpaman, maaari naming subukan upang makilala ang mga posibleng kandidato para sa tiyak na mga aplikasyon ng pag-teleport. Angkop paghahalo ng lahi ang mga ito na ibinigay pare-pareho na batayan at mga pamamaraan ay maaaring magbigay ng ang pinaka-promising hinaharap para sa quantum teleportation at application nito.

maikling distances

Pag-teleport sa isang maigsing distansya (1 m) bilang isang kabuuan computation subsystem promising aparato semiconductor, ang pinakamahusay na ng kung saan ay isang diagram ng QED. Sa partikular, superconducting qubits transmonovye magagarantiya deterministic at lubos na tumpak na pag-teleport chip. Sila din payagan ang isang direktang daloy ng real-time, na kung saan ay tila may problema sa photonic chips. Bilang karagdagan, nagbibigay sila ng isang mas scalable architecture, at mas mahusay na integration ng mga umiiral na teknolohiya bilang kung ihahambing sa nakaraang approach na ito, tulad ng nakulong ions. Sa kasalukuyan, ang tanging disbentaha ng mga sistema tila ay ang kanilang limitadong pagkakaugnay-ugnay ng panahon (<100 ms). Ang problemang ito ay maaaring malutas sa pamamagitan ng paggamit QED pagsasama sa semiconductor circuits iikot ensemble memory cells (nitrogen-substituted na may bakante o kristal doped na may bihirang mga elemento ng lupa), na maaaring magbigay ng isang mahabang oras pagkakaugnay-ugnay para sa kabuuan ng data storage. Sa kasalukuyan, ang pagpapatupad na ito ay isang bagay na para sa mas malawak na pagsisikap ng mga pang-agham na komunidad.

lungsod link

Amin teleport sa lungsod scale (ilang kilometro) ay maaaring binuo gamit ang optical mga mode. Sa sapat na mababa ang pagkawala, ang mga sistema ay nagbibigay ng mataas na bilis at bandwidth. Maaari silang ma-pinalawak mula sa mga desktop pagpapatupad sa medium-range sistema operating sa ere o optical fiber, na may posibleng pagsasama sa isang grupo ng quantum memorya. Sa paglipas ng mahabang distances, ngunit may mas mababang bilis ay maaaring nakakamit sa pamamagitan ng isang hybrid diskarte o sa pamamagitan ng pagbuo ng magandang repeaters batay sa di-Gaussian proseso.

telekumunikasyon

Long-distance quantum teleportation (mahigit sa 100 km) ay isang aktibong lugar, ngunit pa rin naghihirap mula sa isang bukas na problema. Polariseysyon qubits - ang pinakamahusay na carrier para sa mababang-speed teleport sa paglipas ng mahabang fiber optic linya ng komunikasyon at sa pamamagitan ng hangin, ngunit sa sandaling ito ang protocol ay isang probabilistic dahil sa hindi kumpletong detection Bella.

Kahit probabilistic-teleport at entanglement ay angkop para sa mga application tulad ng paglilinis ng gusot at kuwantum cryptography, ngunit ito ay malinaw na naiiba mula sa mga komunikasyon kung saan ang input ng impormasyon ay dapat na ganap na mapangalagaan.

Kung tatanggapin namin ito probabilistic kalikasan, ang pagpapatupad ng ang satellite ay sa loob ng maaabot ng modernong teknolohiya. Bilang karagdagan sa ang pagsasama ng mga pamamaraan sa pagsubaybay, ang pangunahing problema ay ang mga mataas na mga pagkalugi na sanhi ng pagkalat ng mga sinag. Ito ay maaaring pagtagumpayan sa isang configuration kung saan entanglement ay ipinamamahagi mula sa mga satellite sa pang-lupang telescope na may malaking siwang. Sa pag-aakala satellite siwang ng 20 cm sa 600 km taas at 1 m siwang teleskopyo sa lupa, maaari isa asahan ang tungkol sa 75 db ng pagkawala sa isang downlink channel na mas mababa sa 80 db ng timbang sa ground level. Pagpapatupad ng "earth satellite" o "mga kasamang satellite" ay mas mahirap unawain.

quantum memory

Future paggamit ng pag-teleport bilang bahagi ng isang scalable network ay direktang may kaugnayan sa integrasyon nito sa quantum memorya. Ang huli ay dapat magkaroon ng napakahusay na sa mga tuntunin ng kahusayan ng conversion interface "radiation-bagay ', isang kawastuhan ng pag-record at pagbasa, oras at imbakan kapasidad, mataas na bilis at imbakan kapasidad. Una sa lahat ay nagbibigay-daan sa iyo upang gamitin repeaters para sa pagpapabuti ng komunikasyon malayo sa mga direktang transfer gamit ang error pagwawasto code. Ang pag-unlad ng isang magandang quantum memory ay magpapahintulot sa hindi lamang upang ipamahagi ang gusot at pag-teleport network ng komunikasyon, ngunit din konektado sa proseso ang naka-imbak na impormasyon. Sa huli, ito ay maaaring maging isang network ng mga internationally ipinamamahagi kabuuan computer o isang batayan para sa hinaharap na quantum Internet.

promising developments

Nuclear ensembles ayon sa kaugalian itinuturing na kaakit-akit dahil sa kanilang mahusay na conversion ng "light-bagay" at ang kanilang mga millisecond na panahon ng imbakan, na kung saan ay maaaring hanggang sa 100 ms kailangan upang magpadala ng liwanag globally. Gayunpaman, mas advanced na developments ay ngayon inaasahan sa batayan ng sistema ng semiconductor, kung saan mahusay na spin ensemble quantum memory direktang isinama sa scalable architecture ng circuit QED. memory na ito ay hindi maaari lamang i-extend ang pagkakaugnay-ugnay time circuit QED, ngunit din na magbigay ng optical-microwave interface para sa interconversion ng optical telecommunication at chip microwave photons.

Kaya, sa hinaharap na mga pagtuklas ng mga siyentipiko sa larangan ng internet kabuuan ay malamang na batay sa pang-distance optical komunikasyon, conjugated semiconducting unit para sa kabuuan ng impormasyon processing.