Η κβαντική τηλεμεταφορά: οι μεγάλες ανακαλύψεις των φυσικών

Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι ένα από τα πιο σημαντικά πρωτόκολλα της κβαντικής πληροφορίας. Βάσει των φυσικών πόρων της σύγχυσης, είναι το κύριο στοιχείο των διαφόρων καθηκόντων των πληροφοριών και αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό μέρος της κβαντικής τεχνολογιών που παίζουν καθοριστικό ρόλο στην περαιτέρω ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, δικτύων και επικοινωνιών.

Από την επιστημονική φαντασία στην επιστημονικές ανακαλύψεις

Έχει περάσει πάνω από δύο δεκαετίες μετά την ανακάλυψη της κβαντικής τηλεμεταφοράς, η οποία είναι ίσως ένα από τα πιο ενδιαφέροντα και συναρπαστικά συνέπειες του «παράξενου» της κβαντικής μηχανικής. Πριν από αυτά έγιναν μεγάλες ανακαλύψεις, αυτή η ιδέα ανήκε στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας. Πρώτα εφευρέθηκε το 1931 από τον Charles H. Fort όρος «τηλεμεταφορά» έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει τη διαδικασία με την οποία το σώμα και τα αντικείμενα που μεταφέρονται από το ένα μέρος στο άλλο, δεν έχει ξεπεραστεί πραγματικά η απόσταση μεταξύ τους.

Το 1993 δημοσίευσε ένα άρθρο που περιγράφει το πρωτόκολλο της κβαντικής πληροφορίας, που ονομάζεται «κβαντική τηλεμεταφορά», οι οποίοι μοιράζονται μερικά από τα συμπτώματα που αναφέρονται παραπάνω. Είναι άγνωστο κατάσταση ενός φυσικού συστήματος μετράται και στη συνέχεια αναπαράγονται, ή «εκ νέου πηγαίνει» στην απομακρυσμένη τοποθεσία (τα φυσικά στοιχεία του αρχικού συστήματος παραμένουν στη μεταβίβαση θέση). Αυτή η διαδικασία απαιτεί την κλασική μέσα επικοινωνίας και εξαλείφει υπερφωτινές επικοινωνίας. Απαιτεί μια ζωή σύγχυσης. Στην πραγματικότητα, τηλεμεταφορά μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρωτόκολλο της κβαντικής πληροφορίας που δείχνει πιο καθαρά τη φύση της σύγχυσης: χωρίς την παρουσία μιας κατάστασης της μεταφοράς δεν θα είναι δυνατή στο πλαίσιο των νόμων που περιγράφουν τις κβαντομηχανική.

Η τηλεμεταφορά έχει διαδραματίσει ενεργό ρόλο στην ανάπτυξη της επιστήμης των πληροφοριών. Από τη μία πλευρά, αυτό είναι ένα εννοιολογικό πρωτόκολλο, το οποίο παίζει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη μιας τυπικής κβαντικής θεωρίας της πληροφορίας, και από την άλλη είναι ένα θεμελιώδες συστατικό πολλών τεχνολογιών. Το κβαντικό επαναλήπτη - βασικό στοιχείο της επικοινωνίας σε μεγάλες αποστάσεις. Τηλεμεταφοράς κβαντική διακόπτες, υπολογισμός βασίζεται σε μετρήσεις και η κβαντική δικτύου - είναι όλα παράγωγα αυτών. Χρησιμοποιείται ως ένα απλό εργαλείο για τη μελέτη του «ακραίες» της φυσικής, για την προσωρινή καμπύλες και εξάτμιση των μαύρων οπών.

Σήμερα κβαντικής τηλεμεταφοράς επιβεβαιώθηκε σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία υποστρωμάτων και τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων των φωτονικών qubits, πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, οπτικές λειτουργίες, ομάδες ατόμων, τα παγιδευμένα άτομα και τα συστήματα ημιαγωγών. έχουν εξαιρετικά αποτελέσματα έχουν επιτευχθεί στις φάσμα τηλεμεταφορά επόμενα πειράματα με δορυφόρους. Επιπλέον, έγιναν προσπάθειες να αναβαθμίσουν σε πιο πολύπλοκα συστήματα.

τηλεμεταφορά των qubits

Κβαντικής τηλεμεταφοράς περιγράφηκε για πρώτη φορά για τα συστήματα δύο-επίπεδο, τα λεγόμενα qubits. Πρωτόκολλο σχετικά με τις δύο απομακρυσμένα μέρη, που ονομάζεται Alice και ο Bob, που μοιράζονται qubit 2, Α και Β είναι σε καθαρή εμπλακεί κατάσταση, που ονομάζεται επίσης ζεύγος Bell. Στην είσοδο του Alice δοθεί άλλη qubit και των οποίων η κατάσταση ρ είναι άγνωστη. Στη συνέχεια εκτελεί μια κοινή κβαντική μέτρησης, που ονομάζεται την ανακάλυψη του Bell. Μεταφέρει ένα και ένα σε ένα από τα τέσσερα Bell κράτη. Ως αποτέλεσμα, η κατάσταση εισόδου του qubit όταν μετρώνται Alice εξαφανίζεται και το βαρίδι Β qubit ταυτόχρονα προβάλλεται σε P ^† _k ρρ _k. Στο τελευταίο πρωτόκολλο βήμα Alice μεταδίδει ένα κλασικό αποτέλεσμα της μέτρησης του Bob, ο οποίος ισχύει Pauli P χειριστή _k για να επαναφέρετε την αρχική ρ.

Η αρχική κατάσταση ενός qubit Alice θεωρείται ανώνυμα, διότι διαφορετικά το πρωτόκολλο μειώνεται σε τηλεχειριστήρια μέτρηση του. Επιπλέον, μπορεί είτε το ίδιο να είναι μέρος ενός μεγαλύτερου σύνθετο σύστημα, από κοινού με έναν τρίτο (σε αυτή την περίπτωση επιτυχούς τηλεμεταφοράς όλα απαιτεί αναπαραγωγή συσχετίσεις με αυτό το τρίτο μέρος).

Ένα τυπικό πείραμα της κβαντικής τηλεμεταφοράς παίρνει καθαρή αρχική του κατάσταση και να ανήκουν σε μια περιορισμένη αλφάβητο, για παράδειγμα, έξι πόλους της σφαίρας Bloch. Με την παρουσία της ποιότητας decoherence της ανακατασκευασμένης κατάσταση μπορεί να εκφραστεί ποσοτικά ακριβή τηλεμεταφοράς F ∈ [0, 1]. Η ακρίβεια μεταξύ των κρατών της Alice και ο Bob, κατά μέσο όρο σε όλα τα αποτελέσματα ανίχνευσης της Bell και το αρχικό αλφάβητο. Για μικρές τιμές της ακρίβειας των μεθόδων υπάρχουν, επιτρέποντας για ατελή τηλεμεταφοράς χωρίς περίπλοκες πόρο. Για παράδειγμα, η Alice μπορεί να μετρηθεί άμεσα αρχική του κατάσταση με την αποστολή Bob για την προετοιμασία της προκύπτουσας κράτους. Αυτή η στρατηγική μέτρησης-κατάρτιση αναφέρεται ως «κλασική τηλεμεταφορά.» Έχει μέγιστη ακρίβεια F _class = 2/3 για κάθε κατάσταση εισόδου, το ισοδύναμο αλφαβητική αμοιβαία αμερόληπτες συνθήκες, όπως η σφαίρα Bloch έξι πόλων.

Έτσι, μια σαφής ένδειξη της χρήσης της κβαντικής πόρων είναι μια τιμή ακρίβειας F> F _τάξη.

Ούτε ένα qubit

Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, τηλεμεταφορά των qubits δεν περιορίζεται, αυτό μπορεί να περιλαμβάνει ένα σύστημα πολλαπλών διαστάσεων. Για κάθε πεπερασμένο μέτρο d μπορούν να τυποποιηθούν ιδανικό σύστημα τηλεμεταφοράς χρησιμοποιώντας βάση μεγίστως πεπλεγμένη κατάσταση φορείς οι οποίοι μπορούν να ληφθούν από ένα δεδομένο μέγιστο πεπλεγμένη κατάσταση και μια βάση {U _k} μοναδιαίες φορέων που πληρούν ^{_{tr (U † ι U k)}} = dδ j, k . Ένα τέτοιο πρωτόκολλο μπορεί να κατασκευαστεί για οποιαδήποτε πεπερασμένη-χώρο Hilbert r. N. διακριτή μεταβλητή συστήματα.

Επιπλέον, η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα με άπειρο χώρο Hilbert, που ονομάζεται συνεχώς μεταβαλλόμενης συστήματα. Κατά κανόνα, που πραγματοποιούνται από την οπτική μποζόνιο τρόπους, το ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί να περιγραφεί φορείς τετραγωνισμού.

Η ταχύτητα και η αβεβαιότητα αρχή

Ποια είναι η ταχύτητα της κβαντικής τηλεμεταφοράς; Οι πληροφορίες μεταδίδονται με ταχύτητα παρόμοια με την ταχύτητα μετάδοσης του ίδιου αριθμού των κλασικών - ενδεχομένως με την ταχύτητα του φωτός. Θεωρητικά, μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί, πώς κλασική δεν μπορεί - για παράδειγμα, σε κβαντικούς υπολογιστές, όπου είναι διαθέσιμα τα δεδομένα μόνο στον παραλήπτη.

Μήπως κβαντική τηλεμεταφορά παραβιάζει την αρχή της αβεβαιότητας; Στο παρελθόν, η ιδέα της τηλεμεταφοράς δεν είναι πραγματικά ληφθεί σοβαρά υπόψη από τους μελετητές, επειδή πίστευαν ότι παραβιάζει την αρχή της απαγόρευσης κάθε διαδικασία μέτρησης ή σάρωση για να εξαγάγετε όλες τις πληροφορίες ατόμου ή άλλο αντικείμενο. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, η πιο ακριβής το αντικείμενο σαρώνεται, τόσο περισσότερο επηρεάζεται από τη διαδικασία της σάρωσης μέχρι να επιτευχθεί ένα σημείο, όταν η αρχική κατάσταση του αντικειμένου διαταραχθεί σε τέτοιο βαθμό που περισσότερο δεν μπορεί να ληφθεί αρκετές πληροφορίες για να δημιουργήσετε ένα αντίγραφο. Ακούγεται πειστική: αν ένα άτομο δεν μπορεί να εξαγάγει πληροφορίες από το αντικείμενο για τη δημιουργία τέλεια αντίγραφα, ο τελευταίος δεν μπορεί να γίνει.

Κβαντική τηλεμεταφορά για τα ομοιώματα

Αλλά οι έξι επιστήμονες (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Πέρες, και Uilyam Vuters) βρήκε έναν τρόπο γύρω από αυτή τη λογική, χρησιμοποιώντας ένα διάσημο και παράδοξο χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής γνωστή ως Einstein-Podolsky-Rosen. Βρήκαν έναν τρόπο για να σαρώσετε το αντικείμενο πληροφορίες τηλεμεταφερθεί Α, και το υπόλοιπο δοκιμαστεί τμήμα μέσω της επίδρασης της μεταφοράς άλλων αντικειμένων που έρχονται σε επαφή με το Α δεν συμμορφώνονται.

Ακολούθως, με εφαρμογή με την έκθεση C εξαρτώμενη από σαρωμένα πληροφορίες μπορούν να εισαχθούν στην κατάσταση Α για σάρωση. Και ο ίδιος δεν είναι στην ίδια κατάσταση με την αντίστροφη διαδικασία σάρωσης, επιτυγχάνεται έτσι είναι τηλεμεταφορά, όχι αντιγραφή.

Ο αγώνας για την περιοχή

• Η πρώτη κβαντική τηλεμεταφορά έγινε το 1997, σχεδόν ταυτόχρονα από επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ και του Πανεπιστημίου της Ρώμης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος μία πηγή φωτονίων που έχει μία πόλωση, και ένα από ένα ζεύγος πεπλεγμένων φωτονίων έχουν τροποποιηθεί έτσι ώστε το δεύτερο αρχικό φωτόνιο πόλωση έλαβε. Έτσι και οι δύο φωτόνια σε απόσταση μεταξύ τους.
• Το 2012, υπήρξε μια τακτική κβαντική τηλεμεταφορά (Κίνα Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας), μέσω της αλπική λίμνη και σε απόσταση 97 χιλιομέτρων. Μια ομάδα επιστημόνων από τη Σαγκάη με επικεφαλής τον Juan Iinem κατάφεραν να αναπτύξουν μια υποβλητική μηχανισμό που επέτρεψε ακριβώς στοχευμένη δέσμη.
• Τον Σεπτέμβριο, ένα ρεκόρ κβαντικής τηλεμεταφοράς σε 143 χιλιόμετρα πραγματοποιήθηκε την ίδια χρονιά. Αυστριακή επιστήμονες από την Ακαδημία Επιστημών της Αυστρίας και το Πανεπιστήμιο της Βιέννης υπό τη διεύθυνση του Antona Tsaylingera έχει μεταδοθεί με επιτυχία κβαντικές καταστάσεις μεταξύ των δύο Καναρίων Νήσων της La Palma και στην Τενερίφη. Το πείραμα χρησιμοποίησε δύο οπτικές γραμμές επικοινωνίας στην ανοικτή, kvantumnaya και κλασσική, η συχνότητα ασυσχέτιστα πόλωση μπερδεμένα ζεύγος των φωτονίων πηγών, sverhnizkoshumnye ανιχνευτές μονού φωτονίου και συμπλέκτη συγχρονισμό του ρολογιού.
• Το 2015, ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, για πρώτη φορά έκανε την μεταφορά των πληροφοριών σε απόσταση άνω των 100 χλμ οπτικής ίνας. Αυτό κατέστη δυνατό χάρη στο ίδρυμα που δημιουργήθηκε ανιχνευτή φωτονίων χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμο νανοσύρματα πυριτιούχο μολυβδαίνιο.

Είναι σαφές ότι η ιδανική ενός κβαντικού συστήματος ή της τεχνολογίας δεν υπάρχει ακόμα και οι μεγάλες ανακαλύψεις για το μέλλον είναι ακόμα να έρθει. Παρ 'όλα αυτά, μπορούμε να προσπαθήσουμε για τον εντοπισμό πιθανών υποψηφίων για συγκεκριμένες εφαρμογές της τηλεμεταφοράς. Κατάλληλο υβριδισμού τους παρείχε σταθερή βάση και οι μέθοδοι μπορούν να παρέχουν την πιο ελπιδοφόρο μέλλον για την κβαντική τηλεμεταφορά και τις εφαρμογές της.

μικρές αποστάσεις

Τηλεμεταφοράς σε μικρή απόσταση (1 m) ως μια κβαντική υποσύστημα υπολογισμού ελπιδοφόρα συσκευές ημιαγωγών, ο καλύτερος εκ των οποίων είναι ένα διάγραμμα της QED. Ειδικότερα, υπεραγώγιμο qubits transmonovye μπορεί να εγγυηθεί την ντετερμινιστική και υψηλής ακρίβειας τσιπ τηλεμεταφορά. Επιτρέπουν επίσης την άμεση ροή του σε πραγματικό χρόνο, η οποία φαίνεται προβληματική σε φωτονικά τσιπ. Επιπλέον, παρέχουν μια πιο επεκτάσιμη αρχιτεκτονική, και την καλύτερη ενσωμάτωση των υφιστάμενων τεχνολογιών σε σχέση με τις προηγούμενες προσεγγίσεις, όπως είναι παγιδευμένα ιόντα. Επί του παρόντος, το μόνο μειονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι προφανώς περιορισμένο χρονικό διάστημα τη συνοχή τους (<100 ms). Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με τη χρήση ολοκλήρωση QED με κυκλώματα ημιαγωγών γυρνάνε σύνολο κύτταρα μνήμης (αζώτου-υποκατεστημένο με κενές θέσεις ή κρύσταλλο ντοπαρισμένο με σπάνιων γαιών), η οποία μπορεί να παρέχει ένα μεγάλο χρονικό διάστημα συνοχή για την κβαντική της αποθήκευσης δεδομένων. Προς το παρόν, αυτή η εφαρμογή είναι ένα θέμα για μεγαλύτερες προσπάθειες της επιστημονικής κοινότητας.

σύνδεσμο Πόλη

Μας teleport με την κλίμακα της πόλης (πολλά χιλιόμετρα) θα μπορούσε να αναπτυχθεί με τη χρήση των οπτικών μέσων. Σε αρκετά χαμηλές απώλειες, τα συστήματα αυτά παρέχουν υψηλή ταχύτητα και το εύρος ζώνης. Μπορούν να επεκταθούν από την επιφάνεια εργασίας εφαρμογές σε συστήματα μέσου βεληνεκούς που λειτουργούν πέρα από τον αέρα ή οπτική ίνα, με πιθανή ενσωμάτωση με ένα σύνολο της κβαντικής μνήμης. Πάνω από μεγάλες αποστάσεις, αλλά με χαμηλότερη ταχύτητα μπορεί να επιτευχθεί με μια υβριδική προσέγγιση ή αναπτύσσοντας καλές αναμεταδότες βασίζονται σε μη-Gaussian διαδικασίες.

τηλεπικοινωνία

Long-απόσταση κβαντικής τηλεμεταφοράς (άνω των 100 km) είναι ένα ενεργό περιοχή, αλλά εξακολουθεί να υποφέρει από ένα ανοικτό πρόβλημα. qubits Πόλωση - οι καλύτερες φορείς για χαμηλής ταχύτητας teleport σε μεγάλες γραμμές οπτικών ινών της επικοινωνίας και μέσω του αέρα, αλλά αυτή τη στιγμή το πρωτόκολλο είναι μια πιθανολογική λόγω ατελούς ανίχνευσης Bella.

Παρόλο πιθανολογική τηλεμεταφοράς και εμπλοκή είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπως η απόσταξη της εμπλοκής και της κβαντικής κρυπτογραφίας, αλλά είναι σαφώς διαφορετική από την ανακοίνωση στην οποία πρέπει να διατηρηθεί πλήρως η είσοδος πληροφοριών.

Αν δεχτούμε αυτή την πιθανολογική φύση, η εφαρμογή του δορυφόρου είναι μέσα στην προσιτότητα των σύγχρονων τεχνολογιών. Εκτός από την ενσωμάτωση των μεθόδων παρακολούθησης, το κύριο πρόβλημα είναι οι υψηλές απώλειες που προκαλούνται από την εξάπλωση της δοκού. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί σε μια διαμόρφωση όπου εμπλοκή διανέμεται από το δορυφόρο προς το επίγειο τηλεσκόπιο με ένα μεγάλο άνοιγμα. Υποθέτοντας δορυφορική άνοιγμα των 20 cm σε 600 ύψος χιλιομέτρων και 1 m τηλεσκόπιο ανοίγματος στο έδαφος, μπορεί να αναμένει κανείς περίπου 75 dB της απώλειας σε ένα κανάλι κάτω ζεύξης που είναι μικρότερη από 80 dB απώλεια στο επίπεδο του εδάφους. Η εφαρμογή του «δορυφόρου γη» ή «δορυφορική σύντροφος» είναι πιο περίπλοκη.

κβαντική μνήμη

Μελλοντική χρήση της τηλεμεταφοράς, ως μέρος ενός επεκτάσιμο δίκτυο έχει άμεση σχέση με την ενσωμάτωση της με την κβαντική μνήμη. Ο τελευταίος πρέπει να έχει εξαιρετική από την άποψη της αποτελεσματικότητας διεπαφής μετατροπής «ακτινοβολίας-ύλης», με ακρίβεια καταγραφής και ανάγνωσης, το χρόνο και την ικανότητα αποθήκευσης, υψηλή ταχύτητα και χωρητικότητα αποθήκευσης. Πρώτα απ 'όλα, σας επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε αναμεταδότες για την ενίσχυση της επικοινωνίας πέρα από την άμεση μεταφορά με τη χρήση των κωδικών διόρθωσης σφαλμάτων. Η ανάπτυξη μιας καλής κβαντικής μνήμης θα επιτρέψει όχι μόνο να διανέμουν εμπλοκή και την επικοινωνία του δικτύου τηλεμεταφορά, αλλά επίσης με την επεξεργασία των αποθηκευμένων πληροφοριών. Σε τελική ανάλυση, αυτό θα μπορούσε να μετατραπεί σε ένα δίκτυο διεθνώς διανεμηθεί κβαντικού υπολογιστή ή βάση για το μέλλον της κβαντικής Internet.

υποσχόμενες εξελίξεις

Πυρηνική σύνολα που παραδοσιακά θεωρούνται ελκυστικά λόγω της αποδοτικής μετατροπής τους από το «φως-ύλη» και τις περιόδους χιλιοστό του δευτερολέπτου τους αποθήκευσης, η οποία μπορεί να είναι έως και 100 ms που απαιτούνται για να μεταδώσει φως σε παγκόσμιο επίπεδο. Ωστόσο, πιο προηγμένες εξελίξεις αναμένονται τώρα στη βάση των συστημάτων ημιαγωγών, όπου εξαιρετικό γύρισμα σύνολο της κβαντικής μνήμης ενσωματωθεί άμεσα με την επεκτάσιμη αρχιτεκτονική του κυκλώματος QED. Αυτή η μνήμη μπορεί όχι μόνο να παρατείνει το χρόνο συνοχής κύκλωμα QED, αλλά και να παρέχουν διασύνδεση οπτικών-μικροκυμάτων για την ενδομετατροπή των οπτικών τηλεπικοινωνιών και τσιπ φωτόνια μικροκυμάτων.

Έτσι, το μέλλον ανακαλύψεις των επιστημόνων στον τομέα της κβαντικής διαδίκτυο είναι πιθανόν να βασίζονται σε μεγάλες αποστάσεις οπτικής επικοινωνίας, συζευγμένο ημιαγωγού μονάδες για την κβαντική επεξεργασία των πληροφοριών.