Kvantová teleportace: velké objevy fyziků

Kvantová teleportace je jedním z nejdůležitějších protokolů v kvantové informace. S ohledem na fyzické zdroje zmatku bázi, je hlavním prvkem různých informačních úkolů a představuje důležitou součást kvantových technologií, které hrají klíčovou roli v dalším vývoji kvantové výpočetní techniky, sítí a komunikací.

Od sci-fi k vědeckým objevům

To bylo více než dvě desetiletí od objevu kvantové teleportace, což je pravděpodobně jedním z nejzajímavějších a vzrušující důsledky „podivnosti“ kvantové mechaniky. Před tyto byly provedeny velké objevy, tato myšlenka patřila do říše sci-fi. Poprvé vynalezen v roce 1931 Charles H. Fort termínu „teleportace“ Od té doby byl používán k popisu procesu, kterým se tělo a objekty jsou přeneseny z jednoho místa na druhé, není ve skutečnosti překonat vzdálenost mezi nimi.

V roce 1993 publikoval článek popisující protokol kvantové informace, nazvaný „kvantová teleportace“, který sdílel některé z výše uvedených příznaků. To neznámý stav fyzického systému se měří a následně reprodukovat nebo „re-jít“ na vzdáleném místě (fyzické prvky původního systému zůstávají v přenosu místo). Tento proces vyžaduje klasické komunikační prostředky a eliminuje nadprahovou komunikaci. To vyžaduje život záměny. Ve skutečnosti, teleportace lze zobrazit jako protokol kvantové informace, které nejzřetelněji ukazuje, povahu zmatku: bez přítomnosti stavu převodu by nebylo možné v rámci právních předpisů, které popisují kvantovou mechaniku.

Teleportace hraje aktivní roli ve vývoji vědy informací. Na jedné straně se jedná o koncepční protokol, který hraje klíčovou roli ve vývoji formálního kvantové teorie informace, a na druhé straně to je základní složkou mnoha technologií. Kvantový opakovač - klíčovým prvkem komunikace na dálku. Teleportation kvantové spínače, výpočty na základě měření a kvantové sítě - jsou všechny jejich deriváty. To je používáno jako jednoduchý nástroj pro studium „extrémní“ fyziky, o dočasných křivek a vypařování černých děr.

Dnes kvantové teleportace potvrzeno v laboratořích po celém světě s použitím různých substrátů a technologií, včetně photonic qubits, nukleární magnetická rezonance, optických způsobů, skupin atomů, zachycený atomů a polovodičových systémů. Vynikající výsledky byly dosaženy v teleportace rozmezí příštích experimentech s satelitů. Kromě toho byly provedeny pokusy rozšířit až na složitější systémy.

teleportace z qubits

Kvantová teleportace byl poprvé popsán pro systémy dvě úrovně, tzv qubits. Protokol zvažuje dvě vzdálené strany, nazvaný Alice a Bob, kteří sdílejí qubit 2, A a B jsou v čistém stavu zapletena, také volal Bell pair. U vchodu do Alice dostat další qubit a jejíž stav ρ není znám. To pak vykonává společnou kvantové měření, tzv objev Bell. Nese A a A v jednom ze čtyř Bell států. V důsledku toho je vstupní stav qubit při měření Alice zmizí a Bob B qubit současně promítány na P ^† _k ρP _k. V posledním kroku protokolu Alice vysílá klasickou výsledek své měření Bob, který se použije Pauli P operátora _k obnovení původní pM.

Počáteční stav qubit Alice je považována za anonymní, protože jinak je protokol snížena na dálkové měření. Kromě toho může být samo o sobě součástí většího kompozitního systému, sdílené s třetí stranou (v tomto případě úspěšného teleportace vše vyžaduje přehrávání korelace s touto třetí stranou).

Typický experiment kvantové teleportation se čistý původního stavu a patří do omezeného abecedy, například šesti póly Bloch koule. V přítomnosti kvality decoherence rekonstruovaného stavu může být vyjádřena kvantitativně přesné teleportace F ∈ [0, 1]. Tato přesnost mezi stavy Alice a Bob, v průměru za všech výsledků detekce Bell a původní abecedy. Pro malé hodnoty přesnosti metody existují, což umožňuje nedokonalé teleportace bez složité zdroje. Například, Alice může přímo měřit původního stavu zasláním Boba pro přípravu výsledné stavu. Toto měření trénink strategie označované jako „klasický teleportace.“ To má maximální přesnost F _třídy = 2/3 pro jakýkoli stav vstupu, ekvivalentní abecedním vzájemně Nestranná podmínky, jako je Bloch koule šest pólů.

Tak, jasně ukazuje na využívání kvantových zdrojů je přesná hodnota F> F _class.

Ani jediný qubit

Podle kvantové fyziky, teleportace qubits není omezen, může zahrnovat vícerozměrný systém. Pro každou konečnou opatření D lze formulovat ideálního schématu teleportace použití základě maximálně zapletená státní vektorů, které mohou být získány z daného maximálně zapletená stavu a základnu {U _k} unitární operátor vyhovující ^{_{tr (U † j U K)}} = dδ J, K , Takový pracovní postup může být konstruován z jakéhokoli konečných Hilbertova prostoru r. N. diskrétní variabilní systémy.

Kromě toho, kvantová teleportace lze použít pro systémy s nekonečným Hilbertova prostoru, se nazývají s plynule proměnným systémy. Zpravidla jsou realizována optickými boson módy, elektrické pole, které lze označit operátory kvadraturní.

Princip rychlost a nejistota

Jaká je rychlost kvantové teleportace? Informace jsou přenášeny rychlostí podobnou rychlosti přenosu se stejným počtem klasiky - případně s rychlostí světla. Teoreticky tak může být použit jak klasický nemůže - například v kvantové práce na počítači, kde jsou údaje pouze příjemci k dispozici.

Má kvantová teleportace porušují Princip neurčitosti? V minulosti se myšlenka teleportace ve skutečnosti není brán vážně učenci, protože se věřilo, že je v rozporu se zásadou zákazu pro každého měření nebo skenování postup získat všechny atom informační nebo jiný předmět. V souladu s principem nejistoty, tím přesnější je objekt je snímán, tím více je ovlivněna testovacího procesu, dokud se nedosáhne bodu, když je původní stav objektu narušen do té míry, že více nelze získat dostatek informací pro vytvoření replik. Zní to přesvědčivě: pokud člověk nemůže získat informace z objektu vytvořit perfektní kopie, druhý nemůže být provedeno.

Kvantová teleportace pro nechápavé

Ale šest vědců (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres a Uilyam Vuters) našli cestu kolem této logiky, s použitím oslavovaný a paradoxní rys kvantové mechaniky známých jako Einstein-Podolsky-Rosen. Našli způsob, jak skenování informační teleported objekt A, a zbývající část nevyzkoušený prostřednictvím účinku přenosu dalších objektů v kontaktu s nikdy řídit.

Následně, že se na expozice C závislé snímané informace mohou být zadány do stavu A do skenování. A sám není ve stejném stavu jako v obráceném procesu skenování, a tím dosáhnout je teleportace, není replikace.

Boj o rozsah

• První kvantový teleportation se konala v roce 1997 téměř současně vědci z univerzity v Innsbrucku a na univerzitě v Římě. Během experimentu zdroj fotonů má polarizaci, a jeden z dvojice zapletených fotonů byl změněn tak, že druhý původní polarizace fotonů obdržel. Tak oba fotony jsou rozmístěny od sebe navzájem.
• V roce 2012, tam byl pravidelný kvantovou teleportaci (Čína University of Science and Technology) přes vysokohorské jezero ve vzdálenosti 97 km. Tým vědců z Šanghaje pod vedením Juana Iinem podařilo vyvinout sugestivní mechanismus, který umožnil přesné zacílení paprsku.
• V září, rekordní kvantová teleportace na 143 km byl proveden ve stejném roce. Rakouští vědci z Akademie věd Rakouska a na univerzitě ve Vídni pod vedením Antona Tsaylingera úspěšně přenáší kvantových stavů mezi dvěma Kanárské ostrovy La Palma a Tenerife. Experiment použity dva optické komunikační linky do otevřené, kvantumnaya a klasický, frekvence nekorelované polarizace propletené dvojice zdrojů fotonů, sverhnizkoshumnye detektory jednofotonová a spojky synchronizace hodin.
• V roce 2015 vědci z amerického Národního ústavu pro normalizaci a technologie poprvé vyrobeny přenos informací na vzdálenost větší než 100 km optických vláken. To bylo možné díky ústavu vytvořeného detektoru fotonů s použitím supravodivých nanovláken silicid molybdenu.

Je jasné, že ideál kvantového systému nebo technologie ještě neexistuje a velké objevy budoucnosti teprve přijde. Přesto se můžeme pokusit identifikovat možné kandidáty pro specifické aplikace teleportace. Vhodné hybridizace je opatřen pevný základ a způsoby mohou poskytovat nejslibnější budoucnosti pro kvantové teleportace a jeho aplikace.

krátké vzdálenosti

Teleportation krátkou vzdálenost (1 m), jako kvantové počítání subsystému slibné polovodičových zařízení, z nichž nejlepší je schéma QED. Zejména supravodivých qubits transmonovye může zaručit deterministický a velmi přesné teleportační čip. Umožňují také přímý tok v reálném čase, což se zdá problematické na fotonických čipů. Kromě toho, že poskytují více škálovatelné architektuře a lepší integraci stávajících technologií ve srovnání s předchozími přístupy, jako uvězněné ionty. V současné době je jedinou nevýhodou těchto systémů je zřejmě jejich omezená doba koherence (<100 ms). Tento problém může být vyřešen pomocí integrace QED s polovodičovými obvody točit ansámbl paměťové buňky (dusík-substituovaný míst nebo krystalu dopovaných prvky vzácných zemin), které mohou poskytnout dlouhou dobu soudržnost pro quantum ukládání dat. V současné době je tato implementace je záležitostí většího úsilí vědecké komunity.

Město odkaz

Nás teleportovat do centra měřítku (několik kilometrů), by mohla být vyvinuta s využitím optických režimy. Při dostatečně nízkou ztrátou, tyto systémy poskytují vysokou rychlost a šířku pásma. Mohou být prodloužena z implementací stolních pro systémy středního rozsahu provozních vzduchem nebo optické vlákno, s možností integrace s kompletu kvantové paměti. Na dlouhé vzdálenosti, ale s nižší rychlostí lze dosáhnout hybridní přístup nebo vytvořením dobrých zesilovačů na bázi ne-Gaussian procesy.

telekomunikace

Dálková kvantová teleportace (přes 100 km) je aktivní oblast, ale stále trpí otevřeným problémem. Polarizační qubits - nejlepší nosiče pro nízkorychlostní teleportu na dlouhé optických komunikačních linek a ve vzduchu, ale v okamžiku, kdy je protokol pravděpodobnostní v důsledku neúplné detekci Bella.

Ačkoliv pravděpodobnostní teleportace a zapletení jsou vhodné pro aplikace, jako je destilace zapletení a kvantové kryptografie, ale je jasně odlišné od komunikace, ve kterém je vstupní informace musí být plně zachována.

Přijmeme-li tuto pravděpodobnostní charakter, realizace družice jsou v dosahu moderních technologií. Navíc k integraci metod sledování, je hlavním problémem jsou vysoké ztráty způsobené šíření paprsku. To může být překonána v konfiguraci, kdy je zapletení distribuován ze satelitu do pozemního dalekohledu s velkým otvorem. Za předpokladu, že satelitní otvor 20 cm na 600 km a výšku 1 m clony dalekohledu na zemi, lze očekávat, že asi 75 dB ztráty v downlink kanálu, který je menší než 80 ztráta na úrovni terénu dB. Provádění „zemského satelitu“ nebo „společník družice“ jsou složitější.

kvantová paměť

Budoucí využití teleportace jako součást škálovatelné sítě je přímo souvisí s jeho integrace s kvantovou paměti. Ten musí mít vynikající, pokud jde o účinnost konverze rozhraní „radiačního věci‘, s přesností na záznam a čtení, času a úložnou kapacitu, vysokou rychlost a skladovací kapacity. V prvé řadě to vám umožní používat opakovače pro zvýšení komunikace daleko za přímý přenos s použitím korekčních kódů chyb. Rozvoj dobré kvantové paměti by umožnila nejen distribuovat zapletení a teleportace síťovou komunikaci, ale také připojen ke zpracování uložených informací. V konečném důsledku by to mohlo proměnit v síti mezinárodně distribuované kvantového počítače nebo základ pro budoucí kvantové internetu.

Slibný rozvoj

Nukleární soubory tradičně považován za atraktivní, protože jejich efektivní přeměnu „light-záležitost“ a jejich milisekund době skladování, která může být až 100 ms potřebných k přenosu světla po celém světě. Nicméně, pokročilejší vývoj se nyní očekává, že na základě polovodičových systémů, kde výborný spin ensemble kvantová paměť přímo integrovány s škálovatelnou architekturou obvodu QED. Tato paměť může nejen rozšířit okruh QED soudržnost čase, ale také poskytnout optické rozhraní pro mikrovlnnou interconversion optické telekomunikační a čipových mikrovlnných fotonů.

Tak, budoucí objevy vědců v oblasti kvantové internetu je pravděpodobné, že bude založena na dálkové optické komunikace, konjugované polovodičové jednotky pro kvantové zpracování informace.