Teleportation Quantum: l-iskoperti kbar ta 'fiżiċi

teleportation Quantum huwa wieħed mill-protokolli l-aktar importanti fl-informazzjoni quantum. Ibbażat fuq ir-riżorsi fiżiċi ta 'konfużjoni, huwa l-element ewlieni tad-diversi kompiti informazzjoni u jirrappreżenta parti importanti tat-teknoloġiji quantum li għandhom rwol ewlieni fl-iżvilupp ulterjuri ta' quantum computing, netwerking u l-komunikazzjonijiet.

Mill fantaxjenza għal skoperti xjentifiċi

Ġie aktar minn żewġ deċennji peress li l-iskoperta ta 'teleportation kwantum, li huwa probabilment waħda mill-konsegwenzi l-aktar interessanti u eċċitanti ta' "strangeness" tal-mekkanika kwantistika. Qabel dawn saru skoperti kbar, din l-idea kienet ikkontrollata minn-isfera ta 'fantaxjenza. L-ewwel ivvintat fl-1931 minn Charles H. Fort terminu "teleportation" minn dakinhar ġiet użata biex tiddeskrivi l-proċess li permezz tiegħu l-korp u l-oġġetti huma trasferiti minn post għall-ieħor, mhuwiex verament jingħelbu d-distanza bejniethom.

Fl-1993 kien ippubblikat artiklu jiddeskrivi l-protokoll ta 'informazzjoni quantum, imsejħa "teleportation kwantistika", li qasmu wħud mis-sintomi elenkati hawn fuq. Hija istat mhux magħruf ta 'sistema fiżika huwa mkejjel u sussegwentement riprodotta, jew "mill-ġdid tmur" fis-sit remot (l-elementi fiżiċi tas-sistema oriġinali jibqgħu fis-trasferiment post). Dan il-proċess jeħtieġ li l-mezzi klassiku ta 'komunikazzjoni u telimina l-komunikazzjoni superluminal. Hija teħtieġ ħajja ta 'konfużjoni. Fil-fatt, teleportation jistgħu jitqiesu bħala protokoll ta 'informazzjoni quantum li turi aktar ċar in-natura tal-konfużjoni: mingħajr il-preżenza ta' stat tat-trasferiment ma jkunx possibbli fil-qafas tal-liġijiet li jiddeskrivu l-mekkanika kwantistika.

Teleportation kellu rwol attiv fl-iżvilupp tal-xjenza ta 'informazzjoni. Min-naħa waħda, dan huwa protokoll kunċettwali, li għandu rwol kruċjali fl-iżvilupp ta 'formali quantum teorija informazzjoni, u fuq l-oħra huwa komponent fundamentali ta' ħafna teknoloġiji. Il kwantum ripetitur - element ewlieni ta 'komunikazzjoni ta' distanza twila. swiċċijiet quantum teleportation, komputazzjoni bbażati fuq kejl u n-netwerk kwantum - huma kollha derivati tagħhom. Huwa jintuża bħala għodda sempliċi għall-istudju ta ' "nett" tal-fiżika, fuq kurvi temporanji u evaporazzjoni ta' toqob suwed.

Illum teleportation quantum ikkonfermata fil-laboratorji madwar id-dinja jużaw varjetà ta 'sottostrati u teknoloġiji, inkluż qubits fotoniċi, resonanza manjetika nukleari, modi ottiċi, gruppi ta' atomi, l-atomi maqbuda u s-sistemi semikondutturi. riżultati pendenti inkisbu fl-esperimenti li āejjin firxa teleportation ma satelliti. Barra minn hekk, saru tentattivi biex iżidu sa sistemi aktar kumplessi.

teleportation ta qubits

Quantum teleportation ewwel ġie deskritt għas-sistemi żewġ livell, il-qubits hekk imsejħa. Protokoll jikkunsidraw żewġ partijiet remoti, imsejħa Alice u Bob, li jaqsmu qubit 2, A u B huma fl-istat titħabbel pur, imsejħa wkoll Bell par. Fid-daħla għall Alice mogħtija qubit ieħor u li ρ kundizzjoni hija magħrufa. Hija mbagħad twettaq kejl quantum konġunta, imsejjaħ il iskoperta ta 'Bell. Hija twettaq u A f'wieħed mill-erba 'stati Bell. Bħala riżultat, l-istat input tal-qubit meta mkejla Alice tisparixxi u Bob B qubit simultanjament proġettat fuq P ^† _k ρP _k. Fl-aħħar protokoll pass Alice jittrażmetti riżultat klassiku tal-kejl tiegħu Bob, li japplika Pauli P operatur _k biex jirrestawraw l-ρ oriġinali.

L-istat inizjali ta 'qubit Alice hija kkunsidrata anonima, għax inkella l-protokoll hija mnaqqsa għal kejl remot tagħha. Barra minn hekk, jista 'fih innifsu jkun parti minn sistema kompost akbar, maqsuma ma' parti terza (f'dan il-każ teleportation suċċess kollha teħtieġ korrelazzjonijiet daqq ma 'din il-parti terza).

A esperiment tipiku ta 'teleportation kwantum jieħu istat oriġinali pur u li tappartjeni għal alfabett ristrett, per eżempju, sitt ċentri ta' l-isfera Bloch. Fil-preżenza ta 'kwalità decoherence ta' l-istat rikostruwit jista 'jiġi espress ∈ kwantitattivament preċiżi teleportation F [0, 1]. Dan eżattezza bejn l-Istati ta 'Alice u Bob, fuq medja tar-riżultati kollha ta' skoperta tal-Bell u l-alfabett oriġinali. Għal valuri żgħar ta 'l-eżattezza ta' metodi jeżistu, tippermetti teleportation imperfetta mingħajr riżorsi kkomplikata. Per eżempju, Alice jista 'jkejjel direttament istat oriġinali tiegħu billi jibgħat Bob għat-tħejjija tal-istat li jirriżulta. Din l-istrateġija kejl taħriġ imsejjaħ "teleportation klassiku." Hija għandha preċiżjoni massima _tal-klassi F = 2/3 għal kull stat input, il alfabetiku ekwivalenti kondizzjonijiet imparzjali reċiprokament bħall-isfera Bloch sitt arbli.

Għalhekk, indikazzjoni ċara tal-użu tar-riżorsi quantum huwa valur preċiżjoni F> _{klassi F.}

Mhux qubit wieħed

Skond fiżika kwantistika, teleportation ta qubits mhuwiex limitat, din tista 'tinkludi sistema multi-dimensjonali. Għal kull miżura finit d jistgħu jiġu fformulati teleportation iskema ideali jużaw bażi maximally vettori imħabbla istat li jista 'jinkiseb minn stat maximally titħabbel partikolari u bażi {U _k} operaturi unitarji jissodisfaw ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Tali protokoll jistgħux jiġu mibnija għal xi Hilbert finit spazju r. N. Sistemi varjabbli diskreti.

Barra minn hekk, teleportation quantum jista 'japplika għal sistemi bi spazju Hilbert infinita, imsejħa sistemi kontinwament varjabbli. Bħala regola, dawn jiġu realizzati minn modi Boson ottiċi, il-kamp elettriku li jistgħu jiġu deskritti operaturi quadrature.

Veloċità u inċertezza prinċipju

X'inhu l-veloċità ta 'teleportation quantum? Informazzjoni hija trasmessa b'veloċità simili għall-veloċità ta 'trażmissjoni tal-istess numru ta' klassika - possibbilment bl -veloċità tad-dawl. Teoretikament, din tista 'għalhekk tintuża, kif klassiku ma jistax - per eżempju, fil quantum computing, fejn id-data disponibbli biss lir-riċevitur.

Ma teleportation quantum jiksru l-prinċipju Inċertezza? Fil-passat, l-idea ta 'teleportation mhuwiex verament jittieħed bis-serjetà mill-istudjużi, għaliex kien maħsub li tikser il-prinċipju ta' projbizzjoni ta 'kull proċess ta' użin jew skanjar joħorġu t l-atomu informazzjoni jew oġġett ieħor. Skond il-prinċipju ta 'inċertezza, l-aktar preċiż l-oġġett tkun miflija, l-aktar huwa influwenzat mill-proċess ta' skennjar sakemm punt jintlaħaq meta l-istat oriġinali tal-oġġett disturbati sa tali punt li aktar ma tkunx tista 'tinkiseb informazzjoni biżżejjed biex joħolqu replika. Din tinstema konvinċenti: jekk persuna ma tistax tinkiseb informazzjoni mid-oġġett li joħolqu kopji perfetta, dan tal-aħħar ma jistax isir.

Quantum teleportation għall-manikini

Iżda s-sitt xjentisti (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude CREPEAU, Richard Dzhosa, Asher Peres, u Uilyam Vuters) sabet mod madwar din il-loġika, bl-użu karatteristika ċċelebrat u paradossali tal-mekkanika kwantistika magħrufa bħala l Einstein-Podolsky-Rosen. Huma sabu mod biex skennjati l-oġġett informazzjoni teleported A, u l-porzjon mhux ittestjata li jifdal permezz tal-effett ta 'trasferiment oġġetti oħra f'kuntatt ma' A qatt jirrispettaw.

Sussegwentement, billi japplikaw l-espożizzjoni C informazzjoni skanjata dipendenti jistgħu jiddaħħlu fis-istat A sa scan. U innifsu mhuwiex fl-istess kundizzjoni bħall-proċess ta 'skennjar maqluba, u b'hekk jinkiseb huwa teleportation, mhux replikazzjoni.

Il-ġlieda għall-firxa

• L-ewwel teleportation kwantum saret fl-1997, kważi simultanjament minn xjentisti mill-Università ta 'Innsbruck u l-Università ta' Ruma. Matul l-esperiment sors photon jkollhom polarizzazzjoni, u wieħed ta 'par ta' photons imħabbla ġew mibdula b'tali mod li t-tieni photon polarizzazzjoni oriġinali riċevuti. Għalhekk iż-żewġ photons huma spazjati minn xulxin.
• Fl-2012, kien hemm teleportation quantum regolari (Ċina Università tax-Xjenza u t-Teknoloġija) permezz tal-lagi alpini f'distanza ta '97 km. Tim ta 'xjentisti mill Shanghai mmexxija minn Juan Iinem rnexxielha tiżviluppa mekkaniżmu suġġestiva li ppermettew raġġ preċiżament immirat.
• F'Settembru, l-teleportation quantum rekord fuq 143 km saret l-istess sena. xjentisti Awstrijaċi mill-Akkademja tax-Xjenzi tal-Awstrija u l-Università ta 'Vjenna taħt id-direzzjoni ta' Antona Tsaylingera tkun trasmettiet b'suċċess istati quantum bejn iż-żewġ Gżejjer Kanarji ta 'La Palma u Tenerife. L-esperiment użat żewġ linji ta 'komunikazzjoni ottika fil-miftuħ, kvantumnaya u klassiku, il-frekwenza polarizzazzjoni ma jkunx korelatat Tangled par ta' sorsi photons, sverhnizkoshumnye rilevaturi photon waħda u sinkronizzazzjoni arloġġ klaċċ.
• Fl-2015, ir-riċerkaturi mill-Istitut Nazzjonali Amerikan ta 'Standards u Teknoloġija għall-ewwel darba jsir it-trasferiment ta' informazzjoni fuq distanza ta 'aktar minn 100 km ta' fibra ottika. Dan sar possibbli grazzi għall-istitut ditekter photon maħluqa bl-użu nanowires superkonduttivi ta siliċjur molibdenu.

Huwa ċar li l-ideal ta 'sistema quantum jew teknoloġija għadha ma teżistix u l-iskoperti kbar tal-futur għadu ġej. Madankollu, nistgħu tipprova tidentifika kandidati possibbli għal applikazzjonijiet speċifiċi ta 'teleportation. ibridizzazzjoni xierqa minnhom sakemm bażi konsistenti u metodi jistgħu jipprovdu l-futur aktar promettenti għall teleportation quantum u l-applikazzjonijiet tagħha.

distanzi qosra

Teleportation distanza qasira (1 m) bħala subsistema komputazzjoni kwantum strumenti semikondutturi promettenti, l-aħjar waħda minnhom hija dijagramma ta QED. B'mod partikolari, qubits superkonduttivi transmonovye jistgħu jiggarantixxu ċippa teleportation deterministic u preċiż ħafna. Huma jippermettu wkoll fluss dirett ta 'ħin reali, li tidher problematika fuq ċipep fotoniċi. Barra minn hekk, huma jipprovdu arkitettura aktar skalabbli, u integrazzjoni aħjar ta 'teknoloġiji eżistenti kif komparati ma' approċċi preċedenti, bħal jonji maqbuda. Bħalissa, il-uniku żvantaġġ ta 'dawn is-sistemi apparentement huwa l-ħin tagħhom koerenza limitat (<100 ms). Din il-problema tista 'tiġi solvuta bl-użu integrazzjoni QED ma' ċirkwiti semikondutturi spin ċelloli memorja ensemble (nitroġenu sostitwiti bil postijiet battala jew kristall doped ma elementi terrestri rari), li jistgħu jipprovdu żmien koerenza twil għall-kwantum ta 'ħażna tad-data. Bħalissa, din l-implimentazzjoni hija kwistjoni għal sforzi akbar tal-komunità xjentifika.

rabta belt

Us teleport għall-iskala belt (diversi kilometri) jistgħu jiġu żviluppati bl-użu tal-modi ottiċi. Fil b'telf baxx biżżejjed, dawn is-sistemi jipprovdu veloċità għolja u bandwidth. Dawn jistgħu jiġu estiżi mill-implimentazzjonijiet desktop għal sistemi ta 'medda medja li joperaw fl-arja jew ta' fibra ottika, bl-integrazzjoni possibbli ma ensemble ta 'memorja quantum. Fuq distanzi twal, iżda bil-veloċità aktar baxxa tista 'tinkiseb permezz ta' approċċ imħallat jew billi jkunu żviluppati ripetituri tajba bbażati fuq proċessi mhux Gaussian.

telekomunikazzjoni

Ta 'distanza twila teleportation quantum (aktar minn 100 km) huwa qasam attiva, iżda għadha ssoffri minn problema miftuħa. qubits polarizzazzjoni - l-aħjar ġarriera għall teleport veloċità baxxa fuq linji tal-fibra ottika twal ta 'komunikazzjoni u fl-arja, iżda fil-mument il-protokoll huwa probabilistika minħabba kxif mhux kompluta Bella.

Għalkemm teleportation probabilistic u taħbil huma adattati għal applikazzjonijiet bħal distillazzjoni ta 'taħbil u kriptografija kwantistika, iżda huwa ċar differenti mill-komunikazzjoni li fiha l-informazzjoni input għandha tinżamm kompletament.

Jekk naċċettaw din in-natura probabilistika, l-implimentazzjoni tal-satellita huma fi ħdan il-bogħod minn teknoloġiji moderni. Minbarra l-integrazzjoni ta 'metodi traċċar, il-problema prinċipali huma t-telf għolja ikkawżat mit-tixrid tar-raġġ. Dan jista 'jingħeleb b'mod konfigurazzjoni fejn taħbil jiġi distribwit mill-satellita għall-Teleskopju terrestri bi apertura kbar. Jekk wieħed jassumi apertura satellita ta '20 ċm għoli km 600 u 1 m apertura Teleskopju fuq l-art, wieħed jista' jistenna madwar 75 dB ta 'telf fil-kanal konnessjoni dixxendentali li hija inqas minn 80 telf dB livell tal-art. Implimentazzjoni tal- "terrestri bis-satellita" jew "bis-satellita ħbieb" huma aktar kumplessi.

memorja quantum

użu fil-futur ta 'teleportation bħala parti minn netwerk jistgħu jegħlbuhom magħhom hija direttament relatata mal-integrazzjoni tagħha ma' memorja quantum. L-aħħar għandu jkollu superb f'termini ta 'effiċjenza interface ta' konverżjoni "radjazzjoni ett", bi preċiżjoni ta 'reġistrazzjoni u l-qari, il-ħin u l-kapaċità tal-ħażna, il-veloċità għolja u l-kapaċità ta' ħażna. L-ewwelnett jippermettilek li tuża ripetituri għat-tisħiħ komunikazzjoni lil hinn mill-trasferiment dirett permezz tal-kodiċijiet korrezzjoni ta 'żball. L-iżvilupp ta 'memorja quantum tajba jippermetti mhux biss biex iqassmu taħbil u l-komunikazzjoni tan-network teleportation, iżda wkoll marbuta li jipproċessaw l-informazzjoni maħżuna. Fl-aħħarnett, dan jista 'jirriżulta f'netwerk ta mqassma internazzjonalment kompjuter quantum jew bażi għall-Internet quantum futur.

żviluppi promettenti

ensembles nukleari tradizzjonalment meqjus attraenti minħabba l-konverżjoni effiċjenti tagħhom tal- "dawl ett" u l-perjodi millisekonda tagħhom ta 'ħażna, li tista' tkun sa 100 ms meħtieġa biex jittrasmettu dawl globalment. Madankollu, żviluppi aktar avvanzati issa huma mistennija fuq il-bażi tas-sistemi semikondutturi, fejn spin eċċellenti ensemble memorja quantum integrati direttament mal-arkitettura skalabbli ta ċirkwit QED. Din il-memorja jista 'mhux biss testendi l-ħin koerenza ċirkwit QED, imma wkoll biex jipprovdi interface ottika microwave għall--bidla li ta' telekomunikazzjoni u ċippa photons microwave ottiċi.

Għalhekk, skoperti futuri ta 'xjentisti fil-qasam tal-internet kwantum x'aktarx ikunu bbażati fuq il-komunikazzjoni ottika ta' distanza twila, unitajiet semikunduttur konjugati għall-ipproċessar ta 'informazzjoni quantum.