Teletransporte cuántico: as grandes descubrimentos dos físicos

teletransporte cuántico é un dos protocolos máis importantes da información cuántica. Baseándose nos recursos físicos de confusión, é o principal elemento de varias tarefas de información e representa unha parte importante de tecnoloxías quânticas desempeñando un papel fundamental no desenvolvemento do quantum computación, redes e comunicacións.

De ciencia ficción para descubrimentos científicos

Foi máis de dúas décadas desde o descubrimento do teletransporte cuántico, que pode ser unha das consecuencias máis interesantes e emocionantes de "estrañeza" da mecánica cuántica. Antes destes fixéronse grandes descubrimentos, esa idea pertencía ao reino de ficción científica. Primeiro inventado en 1931 por Charles H. Fort termo "teletransporte" xa foi usado para describir o proceso polo cal o corpo e os obxectos son trasladados dun lugar a outro, non é realmente superar a distancia entre eles.

En 1993, el publicou un artigo describindo o protocolo de información cuántica, chamado "teletransporte cuántico", que compartiu algúns dos síntomas da lista anterior. El estado descoñecido dun sistema físico mídese e, posteriormente, reproducida, ou "re-vai" na páxina web remoto (os elementos físicos do sistema orixinal permanecen na transferencia de lugar). Este proceso require os medios clásicos de comunicación e elimina comunicación superluminal. Ela esixe unha vida de confusión. En realidade, o teletransporte pode ser visto como un protocolo de información cuántica que demostra claramente a natureza da confusión: sen a presenza dun estado da transferencia non sería posible no ámbito das leis que describen a mecánica cuántica.

Teletransporte desempeñou un papel activo no desenvolvemento da ciencia da información. Por unha banda, este é un protocolo conceptual, que desempeña un papel crucial no desenvolvemento dun cuanto formal, teoría da información, e, por outra, é un compoñente fundamental de moitas tecnoloxías. O repetidor cuántico - un elemento clave da comunicación de longa distancia. conmutador cuánticos de teletransporte, computación en base a medicións e rede cuántica - son os seus derivados. El é usado como unha ferramenta simple para o estudo de "extremos" da física, no curvas temporal e evaporación de buracos negros.

Hoxe teletransporte cuántico confirmados en laboratorios de todo o mundo a usar unha variedade de substratos e tecnoloxías, incluíndo qubits fotônicos, resonancia magnética nuclear, modos ópticos, grupos de átomos, os átomos aprisionados e sistemas de semicondutores. Excelentes resultados alcanzados nas alcance teletransporte experimentos benvida con satélites. Ademais, foron feitas intentos para adaptarse a sistemas máis complexos.

teletransporte de qubits

teletransporte foi descrita por primeira vez para os sistemas de dous niveis, os chamados qubits. Protocolo considerando dúas partes remotas, chamado Alicia e Bob, que comparten qubit 2, A e B están en estado emaranhado pura, tamén chamado par Bell. Na entrada para Alicia deu outro qubit e cuxa ρ condición é descoñecida. Logo realiza unha medición cuántica conxunta, chamada o descubrimento de Bell. El leva un e A en un dos catro estados de Bell. Como resultado, o estado de entrada da qbit cando medida Alice desaparece e Bob B qubit vez proxectada sobre P ^† _k ρP _k. Na última etapa do protocolo Alicia transmite un resultado clásico da súa medición Bob, que se aplica Pauli P operador _k para restaurar o ρ orixinais.

O estado inicial dun qubit Alicia é considerado anonimato, porque senón o protocolo é reducida para a súa medición remota. Ademais, pode el mesmo ser parte dun sistema maior compósito, compartida con un terceiro (neste caso teletransporte exitosa require todas as correlacións de reprodución con este terceiro).

Unha experiencia típica de teletransporte cuántico leva estado orixinal pura e pertencer a un alfabeto restrinxido, por exemplo, seis polos da esfera Bloch. En presenza de calidade decoherence do estado reconstruída pode ser expresado cuantitativamente precisos teletransporte F ∈ [0, 1]. Esta precisión entre os estados de Alicia e Bob, calculados para o conxunto dos resultados de detección do Bell eo alfabeto orixinais. Para pequenos valores da precisión dos métodos de existir, permitindo teletransporte imperfecto sen recurso intrincada. Por exemplo, Alicia pode medir directamente o seu estado orixinal, enviando Bob para a preparación do estado resultante. Esta estratexia de formación de medida chamada "teletransporte clásico." Ten unha precisión máxima de _clase F = 2/3 para calquera estado de entrada, a alfabético equivalente condicións mutuamente imparciais, tales como a esfera Bloch seis polos.

Así, unha clara indicación do uso de recursos cuánticos é un valor de precisión F> _{clase F.}

Nin un só qubit

Segundo a física cuántica, teletransporte de qubits non é limitado, pode incluír un sistema de multi-dimensional. Para cada medida d finito pode formularse de teletransporte réxime ideal utilizando base no mimo vectores emaranhado de estado que poden ser obtidos a partir dun dato estado maxima emaranhado e unha base {L _k} operadores unitarios que satisfaga ^{_{tr (U † J U k)}} = dδ j, k . un protocolo tal pode ser construído por calquera finito-Hilbert espazo r. N. sistemas de variables discretas.

Ademais, o teletransporte cuántico pode aplicar a sistemas con espazo infinito Hilbert, chamados sistemas continuamente variable. Como norma xeral, son realizados por modos Boson óptico, o campo eléctrico que pode ser descrito operadores cuadratura.

principio velocidade e incerteza

Cal é a velocidade de teletransporte cuántico? A información é transmitida a unha velocidade semellante á velocidade de transmisión do mesmo número de clásico - posiblemente con a velocidade da luz. Teoricamente, pode así ser usado como clásico non pode - por exemplo, na computación cuántica, onde están dispoñibles os datos só para o destinatario.

O teletransporte cuántico violar o Principio da Incerteza? No pasado, a idea de teletransporte non é realmente levado en serio polos estudiosos, pois críase que ela viola o principio de prohibición de calquera proceso de medida ou de varrido para extraer todo o átomo de información ou outro obxecto. Segundo o principio de incerteza, o máis precisión o obxecto é dixitalizado, máis é afectado polo proceso de dixitalización, ata que un punto é alcanzado cando o estado orixinal do obxecto é violada a tal punto que non pode máis obter información suficiente para facer unha copia exacta. Parece convincente: se unha persoa non pode extraer información do obxecto para crear copias perfectas, este último non se pode facer.

Teletransporte cuántico for Dummies

Pero os seis científicos (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, e Uilyam Vuters) atopou un xeito de evitar esa lóxica, utilizando unha característica célebre e paradoxal da mecánica cuántica coñecido como o Einstein-Podolsky-Rosen. Eles atoparon un xeito de dixitalizar o obxecto información teletransportado A, ea parte non probado resto a través do efecto da transferencia de outros obxectos en contacto coa nunca cumprir.

Posteriormente, aplicando á exposición C información dixitalizada dependente pode ser inserido no estado A para facer a pescudas. E o propio non está na mesma condición que o proceso de dixitalización revertida, así alcanzar é teletransporte, non replicación.

A loita para a franxa

• O primeiro teletransporte cuántico ocorreu en 1997 case simultaneamente por científicos da Universidade de Innsbruck e da Universidade de Roma. Durante a experiencia, unha fonte de fotóns que ten unha polarización, e un de un par de fotóns entrelazados cambiou de xeito que o segundo fotón polarización orixinal recibido. Así, ambos os fotóns son espazos unhas das outras.
• En 2012, houbo un teletransporte cuántico regulares (Universidade Chinesa de Ciencia e Tecnoloxía), a través do lago alpino, a unha distancia de 97 km. Un equipo de científicos da Shanghai liderados por Juan Iinem conseguiu desenvolver un mecanismo suxestivo que permitiu feixe precisamente alvejado.
• En setembro, un teletransporte cuántico rexistro en 143 km realizouse o mesmo ano. científicos austríacos da Academia de Ciencias de Austria ea Universidade de Viena baixo a dirección de Antona Tsaylingera transmitiu con éxito Estados cuánticos entre as dúas illas Canarias de La Palma e Tenerife. A experiencia utilizou dúas liñas de comunicación óptica en campo aberto, kvantumnaya e clásica, frecuencia de polarización non correlacionado emaranhadas par de fontes de fotóns, sverhnizkoshumnye detectores de fotón único ea sincronización do reloxo de embrague.
• En 2015, investigadores do Instituto Nacional de Estándares e Tecnoloxía, por primeira vez feita a transferencia de información a unha distancia de máis de 100 km de fibra óptica. Isto foi posible grazas ao Instituto detector de fotóns creado usando nanofios supercondutores de silicieto de molibdeno.

Claro que o ideal dun sistema cuántico ou tecnoloxía aínda non existe e os grandes descubrimentos do futuro aínda está por vir. Con todo, podemos tentar identificar posibles candidatos para aplicacións específicas de teletransporte. hibridación axeitado lles proporcionada base consistente e métodos poden predicir o futuro máis prometedor para teletransporte cuántico e as súas aplicacións.

curtas distancias

Teletransporte pouca distancia (1 m) en forma de un subsistema de computación cuántica dispositivos semicondutores prometedores, o mellor dos cales é un diagrama de QED. En particular, os qubits supercondutores transmonovye pode garantir chip de teletransporte determinista e de alta precisión. Eles permiten que un fluxo directo de tempo real, o que parece problemático chips fotônicos. Ademais, eles proporcionan unha arquitectura máis scalable, e unha mellor integración das tecnoloxías existentes, en comparación con enfoques anteriores, como ións aprisionados. Actualmente, a única desvantaxe destes sistemas, ao parecer, é o seu tempo de coherencia limitada (<100 ms). Este problema pode ser resolto empregando integración QED con circuítos semicondutores xirar células de memoria do conxunto (nitróxeno-substituído prazas ou cristal dopados con metais de terras raras), que pode fornecer un tempo de coherencia tempo para o cuanto de almacenamento de datos. Actualmente, esta aplicación é unha cuestión de maiores esforzos da comunidade científica.

conexión da cidade

Nos teletransportar a escala da cidade (varios quilómetros) pode ser desenvolvido usando os modos ópticos. No suficientemente baixa perda, estes sistemas ofrecen alta velocidade e ancho de banda. Poden ser estendidas desde a área de traballo para implementacións de sistemas de alcance medio operaren a través do aire ou de fibra óptica, con posible integración con un conxunto de memoria de Quantum. Ao longo de grandes distancias, pero cunha velocidade máis baixa pode ser obtida por un enfoque de híbrido ou a través do desenvolvemento de boas repetidores con base en procesos non gaussianas.

telecomunicación

De longa distancia teletransporte cuántico (máis de 100 km) é unha área activa, senón que sofre un problema en aberto. qubits polarización - os mellores vehículos para teletransporte de baixa velocidade ao longo de grandes liñas de fibra óptica de comunicación e polo aire, pero no momento en que o protocolo é un probabilística debido á detección incompleta clásica.

Aínda teletransporte probabilística e emaranhamento son adecuadas para aplicacións tales como a destilación de emaranhamento e cifrado cuántica, pero é claramente distinta da comunicación no que a información de entrada debe ser totalmente preservada.

Se aceptarmos esta natureza probabilística, a posta en marcha do satélite están ao alcance de tecnoloxías modernas. Ademais da integración de métodos de seguimento, o principal problema son as altas perdas causadas pola propagación do feixe. Isto pode ser superado cunha configuración en que o entrelaçamento distribúese desde o satélite para o telescopio terrestre cunha gran apertura. Asumindo apertura satélite de 20 cm a 600 km de altura e 1 m telescopio apertura no chan, pódese esperar uns 75 dB de pérdida nunha canle descendente que é inferior a 80 dB perda ao nivel do chan. Implantación do "satélite Terra" ou "satélite compañeiro" son máis complexas.

memoria cuántica

uso futuro de teletransporte como parte dunha rede scalable está directamente relacionada coa súa integración con memoria cuántica. Este último debe ter excelente en termos de interface de conversión eficiencia "radiación-materia", unha precisión de gravación e lectura, tempo e capacidade de almacenamento, alta velocidade e capacidade de almacenamento. Antes de todo, permite a utilización de repetidores para mellorar a comunicación moito máis alá da transferencia directa mediante os códigos de corrección de erros. O desenvolvemento dunha boa memoria cuántica permitiría non só para distribuír emaranhamento e comunicación de rede teletransporte, pero tamén conectado a procesar a información almacenada. En definitiva, isto podería converterse nunha rede de distribución internacional ordenador cuántico ou unha base para a futura Internet cuántica.

desenvolvementos prometedores

Ensemble nucleares tradicionalmente considerado atractivo por mor da súa conversión eficiente de a "luz-materia" e os seus períodos de milisegundos de almacenamento, que pode ser de ata 100 ms necesarios para transmitir a luz en todo o mundo. Con todo, os desenvolvementos máis avanzados están espera en base a sistemas de semicondutores, onde excelente rotación memoria cuántica conxunto directamente integradas coa arquitectura scalable do circuíto QED. Esta memoria non só ampliar o circuíto QED tempo de coherencia, senón tamén para proporcionar interface óptica-microondas para a interconversão de telecomunicacións e chip fotóns de microondas ópticos.

Así, as futuras descubrimentos de científicos no campo de Internet cuántica son susceptibles de ser baseada en comunicacións ópticas de longa distancia, unidades de semicondutores conxugados para procesamento de información cuántica.