Kvantová teleportace: velké objevy fyziků

Kvantová teleportace je jedním z nejdůležitějších protokolů v kvantových informacích. Na základě fyzického zdroje zapletení slouží jako hlavní součást různých informačních úkolů a je důležitou součástí kvantových technologií a hraje klíčovou roli v dalším rozvoji kvantové výpočetní techniky, vytváření sítí a komunikace.

Od sci-fi až po objev vědců

To bylo více než dvě desetiletí od objevu kvantové teleportace, což je pravděpodobně jedním z nejzajímavějších a vzrušující důsledky „podivnosti“ kvantové mechaniky. Předtím, než byly uskutečněny tyto velké objevy, patřil tento nápad do oblasti 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 byl publikován článek popisující protokol kvantové informace nazvaný "kvantová teleportace", který sdílí některé z výše uvedených charakteristik. V něm se měří neznámý stav fyzického systému a následně se rozmnožuje nebo "znovu sestavuje" na vzdáleném místě (fyzické prvky původního systému zůstávají v místě přenosu). Tento proces vyžaduje klasické komunikační prostředky a vylučuje superluminální komunikaci. Vyžaduje zdroj zapletení. 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.

Teleportování hraje aktivní roli ve vývoji informací o vědě. Na jedné straně jde o koncepční protokol, který hraje rozhodující roli při vývoji formálního kvantum teorie informací, a na druhé straně je základním prvkem mnoha technologií. Kvantový opakovač je klíčovým prvkem komunikace na dlouhé vzdálenosti. Teleportování kvantových spínačů, výpočty založené na měřeních a kvantových sítích - všechny jsou jeho deriváty. Používá se také jako jednoduchý nástroj pro studium "extrémní" fyziky v souvislosti s časovými křivkami a odpařováním černé díry.

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 oblasti teleportačních rozmezí, v současnosti probíhají experimenty se satelity. Pokusy se navíc začaly rozšiřovat na složitější systémy.

Teleportování qubits

Kvantová teleportace byla poprvé popsána pro dvouúrovňové systémy, tzv. Qubits. Protokol zachází s dvěma vzdálenými stranami, nazývanými Alice a Bob, kteří sdílejí 2 qubits, A a B, v čistě zamotaném stavu, nazývaném také Bell pair. U vchodu do Alice je dána další kobylka, jejíž stav rho- je neznámý. Potom provádí společné kvantové měření nazvané Bell objev. Převádí a a A na jeden z Bellových čtyř států. V důsledku toho zmizí stav vstupní qubit Alice během měření a kocka Bob B je současně promítána na P^dýka-_krho-P_k. V poslední fázi protokolu přenáší Alice klasický výsledek jejího měření na Bobe, který používá Pauliho operátora P_k obnovit originál rho-.

Počáteční stav Alice qubit je považován za neznámý, neboť jinak je protokol omezen na jeho vzdálené 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. Za přítomnosti dekoherence může být kvalita rekonstruovaného stavu kvantitativně vyjádřena přesností teleportace F isin- [0, 1]. To je přesnost mezi stavy Alice a Bob, zprůměrována na všechny výsledky detekce Bell a původní abecedy. Pro malé hodnoty přesnosti existují metody, které umožňují provádět nedokonalé teleportace bez použití složitého zdroje. Například, Alice může přímo měřit její počáteční stav tím, že pošle výsledky Bobovi, aby připravil výsledný stav. Tato strategie měření-příprava se nazývá "klasická teleportace". Má maximální přesnost F_třídy = 2/3 pro libovolný vstupní stav, který je ekvivalentní abecedě vzájemně nezaujatých stavů, jako je šest pólů koule Bloch.

Jasná indikace využití kvantových zdrojů je tedy přesnost F> F_třídy.

Ne kytkou jediného

Jako kvantová fyzika, teleportace není omezena na qubits, může zahrnovat vícerozměrné systémy. Pro každé konečné měření d můžeme formulovat ideální schéma teleportace založené na nejzazších stavových vektorech, které lze získat z daného maximálně zmateného stavu a základy {U_k} jednotných operátorů vyhovujících tr (U^dýka-_j U_k) = ddelta-_{j, k}. Takový protokol může být konstruován pro libovolný prostor Hilberta s konečným rozměrem tzv. diskrétní variabilní systémy.

Kromě toho může kvantová teleportace rozšířit i na systémy s nekonečným rozměrem Hilbertova prostoru, nazývané nepřetržitě variabilní systémy. Jsou zpravidla realizovány optickými bosonickými režimy, jejichž elektrické pole může být popsáno kvadraturními operátory.

Rychlost a princip nejistoty

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

Kvantová teleportace je porušením princip nejistoty? 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. To zní přesvědčivě: pokud člověk nemůže získat informace z objektu, aby vytvořil ideální kopii, pak to nemůže být provedeno.

Kvantová teleportace pro figuríny

Ale šest vědců (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jos, Asher Peres a William Wouters) 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.

V budoucnu pomocí nárazu na C v závislosti na naskenovaných informacích můžete před skenováním zadat C do stavu A. Samotný již není v tomto stavu, protože je skenovací proces zcela změněn, takže výsledkem je teleportace a ne replikace.

Boj o rozsah

• První kvantová teleportace byla provedena v roce 1997 téměř současně vědci z univerzity v Innsbrucku a římské univerzity. Během experimentu zdroj fotonů má polarizaci, a jeden z dvojice zapletených fotonů byl změněn tak, že druhý původní polarizace fotonů obdržel. Současně byly oba fotony vzdáleny od sebe.
• V roce 2012 se uskutečnila další kvantová teleportace (Čína, Vysoká škola vědy a techniky) ve vysokém nadmořském jezeře ve vzdálenosti 97 km. Tým vědců ze Šanghaje, vedl o Juan Yin, dokázal vyvinout sugestivní mechanismus, který umožňoval přesně zaměřit paprsek.
• V září téhož roku byla provedena rekordní kvantová teleportace 143 km. Rakouští vědci z rakouské Akademie věd a Vídeňská univerzita pod vedením Antonia Zeilingera úspěšně přenesli kvantové státy mezi dva 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 výzkumníci z amerického Národního institutu standardů a technologií poprvé předali informace o vzdálenosti více než 100 km vláknem. To bylo možné díky ústavu vytvořeného detektoru fotonů s použitím supravodivých nanovláken silicid molybdenu.

Je zřejmé, že ještě neexistuje ideální kvantový systém nebo technologie a čekají velké objevy budoucnosti. Přesto se lze pokusit určit potenciální kandidáty v konkrétních teleportačních aplikacích. Vhodná hybridizace za předpokladu, že kompatibilní základ a metody mohou poskytnout nejslibnější budoucnost pro kvantovou teleportaci a její aplikace.

Krátké vzdálenosti

Teleportation krátkou vzdálenost (1 m), jako kvantové počítání subsystému slibné polovodičových zařízení, z nichž nejlepší je schéma QED. Zejména supravodivé transmonon qubits mohou zaručit deterministické a vysoce přesné teleportace na čipu. Umožňují také přímé napájení v reálném čase, což vypadá problematické u fotonových čipů. Navíc poskytují škálovatelnější architekturu a lepší integraci stávajících technologií ve srovnání s předchozími přístupy, jako jsou zachycené ionty. V současné době se zdá, že jedinou nevýhodou těchto systémů je jejich omezená doba soudržnosti (<100 μs). 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 realizace předmětem velkého úsilí vědecké obce.

Městská komunikace

Teleportační komunikace v měřítku města (několik kilometrů) by mohla být vyvinuta pomocí optických režimů. Při dostatečně nízkých ztrátách tyto systémy poskytují vysoké rychlosti a šířku pásma. Mohou být rozšířeny z desktopových implementací do středních systémů pracujících přes ether nebo vlákno, s možnou integrací do kvantové paměti souboru. Dlouhé vzdálenosti, ale s nižšími rychlostmi, lze dosáhnout pomocí hybridního přístupu nebo vyvinutím dobrých opakovačů založených na non-gaussovských procesech.

Komunikace na dálku

Kvantová teleportace na dlouhé vzdálenosti (více než 100 km) je aktivní oblastí, ale stále trpí otevřeným problémem. Polarizační kostky jsou nejlepší nosiče pro teleportaci při nízkých rychlostech po dlouhých vláknových optických komunikačních linkách a nad vzduchem, avšak v současné době je protokol pravděpodobný kvůli neúplné detekci Bell.

Přestože pravděpodobnostní teleportace a zapletení jsou přijatelné pro úkoly, jako je destilace zapletení a kvantová kryptografie, je to jasně odlišné od komunikace, ve které by vstupní informace měly být plně zachovány.

Pokud budeme mít tento pravděpodobnostní charakter, implementace družic je v dosahu moderních technologií. Kromě integrace metod sledování je hlavním problémem velké ztráty způsobené šířením 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. Realizace satelitního družice nebo družice je složitější.

Kvantová paměť

Budoucí využití teleportace jako součást škálovatelné sítě je přímo souvisí s jeho integrace s kvantovou paměti. Mělo by mít vynikající rozhraní záření, co se týče účinnosti konverze, přesnosti záznamu a čtení, doby skladování a šířky pásma, vysoké rychlosti a kapacity paměti. Za prvé to umožní použití opakovačů pro rozšíření komunikace daleko za přímý přenos pomocí kódů pro opravu chyb. Vývoj dobré kvantové paměti by umožnil nejen distribuovat síťové zapletení a teleportační komunikaci, ale také souvisle zpracovávat uložené informace. Nakonec to může změnit síť na celosvětovou úroveň kvantový počítač nebo základem budoucnosti kvantového internetu.

Perspektivní vývoj

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 slibnější vývoj se dnes očekává na bázi polovodičových systémů, kde se excelentní kvantová paměť spin-ensemble přímo integruje s škálovatelnou architekturou systému QED. Tato paměť nejen prodlužuje dobu koherence okruhu QED, ale také poskytuje optické mikrovlnné rozhraní pro interkonverzi optických telekomunikací a čipových mikrovlnných fotonů.

Takže budoucí objevy vědců v oblasti kvantového internetu pravděpodobně budou založeny na optickém spojování na dlouhou vzdálenost, spojenou s polovodičovými uzly pro zpracování kvantových informací.