Teleportation Quantum: darganfyddiadau mawr ffisegwyr

teleportation cwantwm yn un o'r protocolau mwyaf pwysig mewn gwybodaeth cwantwm. Yn seiliedig ar yr adnoddau ffisegol o ddryswch, ei fod yn y brif elfen yn y gwahanol dasgau gwybodaeth ac yn cynrychioli rhan bwysig o dechnolegau cwantwm yn chwarae rhan allweddol yn natblygiad pellach gyfrifiadura cwantwm, rhwydweithio a chyfathrebu.

O ffuglen wyddonol i darganfyddiadau gwyddonol

Mae wedi bod dros ddau ddegawd ers darganfod teleportation cwantwm, sydd yn ôl pob tebyg yn un o ganlyniadau mwyaf diddorol a chyffrous o "dieithrwch" mecaneg cwantwm. Cyn y rhain eu gwneud darganfyddiadau mawr, syniad hwn yn perthyn i deyrnas o ffuglen wyddonol. ddyfeisiwyd yn gyntaf yn 1931 gan Charles H. Fort term "teleportation" bellach wedi ei ddefnyddio i ddisgrifio'r broses lle mae'r corff a'r gwrthrychau yn cael eu trosglwyddo o un lle i'r llall, nid yw'n cael ei wir yn goresgyn y pellter rhyngddynt.

Yn 1993 cyhoeddodd erthygl yn disgrifio protocol y wybodaeth cwantwm, a elwir yn "teleportation cwantwm", a rannodd rhai o'r symptomau a restrir uchod. Mae'n cyflwr anhysbys o system corfforol yn cael ei fesur a'i hatgynhyrchu ar ôl hynny, neu "ail-mynd" yn y safle pell (yr elfennau ffisegol y system wreiddiol yn aros yn trosglwyddo lle). Mae'r broses hon yn ei gwneud yn ofynnol y dull clasurol o gyfathrebu ac yn dileu cyfathrebu superluminal. Mae'n gofyn bywyd o ddryswch. Yn wir, gall teleportation ei ystyried fel protocol o wybodaeth cwantwm sy'n dangos gliriaf natur y dryswch: heb na fyddai presenoldeb gyflwr y trosglwyddiad fod yn bosibl o fewn y fframwaith y deddfau sy'n disgrifio'r mecaneg cwantwm.

Teleportation wedi chwarae rôl weithredol yn natblygiad y wyddoniaeth o wybodaeth. Ar y naill law, mae hyn yn brotocol cysyniadol, sy'n chwarae rhan hanfodol yn y gwaith o ddatblygu cwantwm ffurfiol theori gwybodaeth, ac ar y llaw arall mae'n elfen hanfodol o lawer o dechnolegau. Cwantwm ailadrodd - yn elfen allweddol o gyfathrebu pellter hir. switshis cwantwm teleportation, cyfrifiant yn seiliedig ar fesuriadau a rhwydwaith cwantwm - i gyd yn deilliadau hynny. Mae'n cael ei ddefnyddio fel offeryn syml ar gyfer yr astudiaeth o "eithafol" ffiseg, ar cromliniau dros dro a anweddu o dyllau duon.

Heddiw gadarnhau mewn labordai o gwmpas y byd gan ddefnyddio amrywiaeth o swbstradau a thechnolegau, gan gynnwys qubits ffotonig, cyseiniant magnetig niwclear, dulliau optegol, grwpiau o atomau, atomau gaeth a systemau lled-ddargludyddion teleportation cwantwm. canlyniadau rhagorol wedi cael eu cyflawni yn yr ystod teleportation arbrofion i ddod â lloerennau. Ar ben hynny, gwnaed ymdrechion i raddfa hyd at systemau mwy cymhleth.

teleportation o qubits

Disgrifiwyd Quantum teleportation cyntaf ar gyfer y systemau ddwy lefel, mae'r qubits hyn a elwir yn. Protocol ystyried dau barti anghysbell, a elwir yn Alice a Bob, sy'n rhannu qubit 2, A a B mewn cyflwr entangled pur, a elwir Bell pâr hefyd. Wrth y fynedfa i Alice rhoi qubit arall ac y mae eu cyflwr ρ yn hysbys. Mae wedyn yn perfformio mesur cwantwm ar y cyd, a elwir yn y darganfyddiad o Bell. Mae'n cludo ac A yn un o'r pedwar yn datgan Bell. O ganlyniad, mae'r cyflwr mewnbwn y qubit o'i fesur Alice yn diflannu a Bob B qubit ragwelir ar yr un pryd ar y P ^† _k ρP _k. Yn y protocol cam olaf Alice trosglwyddo'r canlyniad clasurol o'i fesur Bob, sy'n gwneud cais Pauli P gweithredwr _k i adfer y ρ gwreiddiol.

Ystyrir bod y cyflwr cychwynnol o Alice qubit yn ddienw, oherwydd fel arall y protocol yn cael ei leihau i ei fesur anghysbell. Yn ogystal, gall fod ei hun yn rhan o system cyfansawdd mwy, rhannu gyda thrydydd parti (yn yr achos hwn teleportation llwyddiannus i gyd yn gofyn cydberthyniadau chwarae gyda hyn trydydd parti).

Mae arbrawf nodweddiadol o teleportation cwantwm yn cymryd cyflwr gwreiddiol pur a pherthyn i wyddor cyfyngedig, er enghraifft, chwe polion y sffêr Bloch. Ym mhresenoldeb ansawdd decoherence o gyflwr hailadeiladu gellir mynegi ∈ teleportation F feintiol cywir [0, 1]. Mae'r cywirdeb rhwng taleithiau Alice a Bob, ar gyfartaledd dros yr holl ganlyniadau canfod yr Bell a'r wyddor gwreiddiol. Ar gyfer gwerthoedd bach o gywirdeb ddulliau yn bodoli, gan ganiatáu ar gyfer teleportation amherffaith heb adnoddau cymhleth. Er enghraifft, efallai Alice mesur ei gyflwr gwreiddiol yn uniongyrchol drwy anfon Bob ar gyfer paratoi o gyflwr canlyniadol. Mae'r strategaeth mesur-hyfforddiant y cyfeirir ato fel "teleportation clasurol." Mae ganddo cywirdeb uchafswm o F _class = 2/3 ar gyfer unrhyw wladwriaeth mewnbwn, mae'r nhrefn yr wyddor cyfatebol amodau diduedd i'r ddwy ochr, fel y maes Bloch chwe polion.

Felly, arwydd clir o'r defnydd o adnoddau cwantwm yn F gwerth thrachywiredd> _{dosbarth F.}

Ddim yn qubit sengl

Yn ôl ffiseg cwantwm, nid yw teleportation o qubits yn gyfyngedig, gall gynnwys system aml-ddimensiwn. Ar gyfer pob mesur cyfyngedig d Gellir llunio teleportation cynllun delfrydol gan ddefnyddio'r sail maximally fectorau maglu wladwriaeth y gellir eu cael o roddir wladwriaeth sownd maximally a sail {U _k} gweithredwyr unedol bodloni ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Gall protocol o'r fath yn cael ei adeiladu ar gyfer unrhyw gyfyngedig-Hilbert lle r. N. systemau amrywiol arwahanol.

Ar ben hynny, gall teleportation cwantwm yn berthnasol i systemau gyda lle Hilbert anfeidrol, a elwir yn systemau-barhaus amrywiol. Fel rheol, maent yn cael eu gwireddu gan ddulliau boson optegol, y maes trydanol y gellir eu disgrifio gweithredwyr quadrature.

egwyddor Cyflymder ac ansicrwydd

Beth yw cyflymder teleportation cwantwm? Caiff gwybodaeth ei drosglwyddo ar gyflymder tebyg i'r cyflymder o drosglwyddo yr un nifer o clasurol - o bosibl gyda chyflymder goleuni. Yn ddamcaniaethol, gall fod felly yn cael ei ddefnyddio, sut na all clasurol - er enghraifft, mewn cyfrifiadureg cwantwm, lle mae'r data ar gael yn unig i'r derbynnydd.

A yw teleportation cwantwm groes Egwyddor Ansicrwydd? Yn y gorffennol, nid oedd y syniad o teleportation yn wirioneddol gymryd o ddifrif gan ysgolheigion, oherwydd ei fod yn credu ei fod yn torri yr egwyddor o wahardd unrhyw broses fesur neu sganio i dynnu'r holl atom wybodaeth neu wrthrych arall. Yn unol â'r egwyddor o ansicrwydd, y mwyaf manwl gywir y gwrthrych yn cael ei sganio, y mwyaf y mae'n cael ei ddylanwadu gan y broses sganio nes pwynt yn cyrraedd pan fydd y cyflwr gwreiddiol y gwrthrych aflonyddu i'r fath raddau fel na ellir yn fwy ar gael digon o wybodaeth i greu replica. Mae'n swnio'n argyhoeddiadol: os na all person tynnu gwybodaeth o'r gwrthrych i greu copïau perffaith, ni all yr olaf yn cael ei wneud.

Quantum teleportation am dymis

Ond mae'r chwe gwyddonwyr (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Aser Peres, a Uilyam Vuters) dod o hyd i ffordd o gwmpas y rhesymeg, gan ddefnyddio nodwedd enwog a baradocsaidd o mecaneg cwantwm a elwir yn Einstein-Podolsky-Rosen. Maent yn dod o hyd i ffordd i sganio'r wybodaeth teleported gwrthrych A, a gweddill y rhan heb eu profi trwy effaith trosglwyddo gwrthrychau eraill mewn cysylltiad â A byth yn cadw.

Yn dilyn hynny, trwy wneud cais i amlygiad C gwybodaeth sganio ddibynnol gellir eu cofnodi ar y wladwriaeth A i sganio. Ac nid ef ei hun yn yr un cyflwr ag y broses sganio wrthdroi, a thrwy hynny ei gyflawni yw teleportation, nid dyblygu.

Y frwydr am yr ystod

• Cynhaliwyd y teleportation cwantwm cyntaf yn 1997 bron yr un pryd gan wyddonwyr o Brifysgol Innsbruck a Phrifysgol Rhufain. Yn ystod yr arbrawf yn ffynhonnell ffoton cael polareiddio, ac yn un o bâr o ffotonau maglu ei newid fel bod yr ail ffoton polareiddio gwreiddiol a dderbyniwyd. Felly y ddau ffotonau yn cael eu gwasgaru'n oddi wrth ei gilydd.
• Yn 2012, roedd teleportation cwantwm rheolaidd (Prifysgol Tsieina Gwyddoniaeth a Thechnoleg) trwy'r llyn alpaidd ar bellter o 97 km. Mae tîm o wyddonwyr o Shanghai a arweinir gan Juan Iinem llwyddo i ddatblygu mecanwaith awgrymog a oedd yn caniatáu trawst union wedi'i dargedu.
• Ym mis Medi, mae teleportation cwantwm cofnodi ar 143 km yn cael ei wneud yn yr un flwyddyn. gwyddonwyr Awstria o Academi y Gwyddorau o Awstria a Phrifysgol Fienna dan gyfarwyddyd Antona Tsaylingera wedi ei drosglwyddo yn datgan cwantwm llwyddiannus rhwng y ddau Ynysoedd Dedwydd o La Palma a Tenerife. Mae'r arbrawf Defnyddir dwy linell cyfathrebu optegol yn yr awyr agored, kvantumnaya a chlasurol, amlder polareiddio uncorrelated cymhleth pâr o ffynonellau ffotonau, sverhnizkoshumnye synwyryddion un-ffoton a synchronization cloc cydiwr.
• Yn 2015, ymchwilwyr o'r Unol Daleithiau Sefydliad Cenedlaethol Safonau a Thechnoleg am y tro cyntaf yn gwneud y trosglwyddo gwybodaeth dros bellter o fwy na 100 km o ffibr optegol. Gwnaed hyn yn bosib diolch i sefydliad synhwyrydd ffoton creu gan ddefnyddio nanowires superconducting o silicide molybdenwm.

Mae'n amlwg nad yw'r ddelfryd o system cwantwm neu dechnoleg yn bodoli eto ac mae'r darganfyddiadau mawr y dyfodol eto i ddod. Serch hynny, gallwn geisio nodi ymgeiswyr posibl ar gyfer ceisiadau penodol o teleportation. hybrideiddio addas iddynt eu darparu sail gyson a gall dulliau darparu yn y dyfodol mwyaf addawol ar gyfer teleportation cwantwm a'i chymwysiadau.

pellteroedd byr

Teleportation pellter byr (1 m) fel cwantwm is-system cyfrifiant dyfeisiau lled-ddargludyddion addawol, y gorau ohonynt yw diagram o'r QED. Yn benodol qubits, tra-dargludol gall transmonovye warantu sglodion teleportation penderfynedig a hynod gywir. Maent hefyd yn caniatáu llif uniongyrchol o amser real, sy'n ymddangos yn broblemus ar sglodion ffotonig. Yn ogystal, maent yn darparu pensaernïaeth mwy scalable, a gwell integreiddio technolegau presennol o gymharu â dulliau blaenorol, fel ïonau gaeth. Ar hyn o bryd, yr unig anfantais o'r systemau hyn yn ôl pob golwg yn eu hamser cydlyniad cyfyngedig (<100 ms). Gall hyn broblem ei datrys drwy ddefnyddio integreiddio QED gyda chylchedau lled-ddargludyddion sbin celloedd cof ensemble (nitrogen-amnewidiwyd â swyddi gwag neu grisial doped gydag elfennau daear prin), a all ddarparu amser cydlyniad hir ar gyfer y cwantwm storio data. Ar hyn o bryd, gweithredu hwn yn fater i ymdrechion uwch o'r gymuned wyddonol.

cyswllt City

Ni teleport i raddfa'r ddinas (sawl cilomedr) gellid eu datblygu gan ddefnyddio'r dulliau optegol. Ar golled yn ddigon isel, systemau hyn yn darparu cyflymder uchel a lled band. Gellir eu hymestyn o implementations bwrdd gwaith i systemau canolig amrywiaeth sy'n gweithredu dros yr awyr neu ffibr optegol, gyda integreiddio posibl gyda ensemble o gof cwantwm. Dros bellteroedd hir, ond gyda cyflymder is gellir ei gyflawni drwy ddull hybrid neu drwy ddatblygu repeaters da yn seiliedig ar brosesau nad ydynt yn Gaussian.

telathrebu

Pellter hir teleportation cwantwm (dros 100 km) yn ardal weithredol, ond yn dal yn dioddef o broblem agored. qubits Polareiddio - y cludwyr gorau ar gyfer teleport gyflymder isel dros linellau ffibr optig hir o gyfathrebu a drwy'r awyr, ond ar hyn o bryd mae'r protocol yn tebygol o ganlyniad i ganfod anghyflawn Bella.

Er bod teleportation tebygol a entanglement yn addas ar gyfer ceisiadau o'r fath fel distylliad o mynd yn sownd a cryptograffeg cwantwm, ond mae'n amlwg yn wahanol i'r gyfathrebu lle mae'n rhaid i'r wybodaeth mewnbynnu eu cadw yn llawn.

Os ydym yn derbyn natur tebygol hwn, y gwaith o weithredu'r lloeren o fewn cyrraedd o dechnolegau modern. Yn ychwanegol at integreiddio dulliau tracio, y brif broblem yw'r colledion uchel a achosir gan y lledaenu y trawst. Gall hyn gael ei goresgyn mewn cyfluniad lle mynd yn sownd yn cael ei ddosbarthu gan y lloeren i'r telesgop daearol gyda agorfa mawr. Gan dybio agorfa lloeren o 20 cm ar 600 uchder km ac 1 m telesgop agorfa ar y ddaear, yn gallu disgwyl tua 75 dB o golled mewn sianel downlink sy'n llai na 80 dB colled ar lefel y ddaear. Gweithredu'r "lloeren ddaear" neu "lloeren cydymaith" yn fwy cymhleth.

cof cwantwm

defnydd Dyfodol teleportation fel rhan o rwydwaith scalable yn uniongyrchol gysylltiedig â'i integreiddio gyda chof cwantwm. Rhaid i'r olaf gael gwych o ran rhyngwyneb trosi effeithlonrwydd "ymbelydredd-mater ', mae cywirdeb cofnodi a darllen, amser a chynhwysedd storio, cyflymder uchel a chynhwysedd storio. Yn gyntaf oll, mae'n caniatáu i chi ddefnyddio repeaters ar gyfer gwella cyfathrebu ymhell y tu hwnt i'r trosglwyddiad uniongyrchol gan ddefnyddio'r codau cywiro gwall. Byddai datblygu gof cwantwm da yn caniatáu i nid yn unig i ddosbarthu mynd yn sownd a chyfathrebu rhwydwaith teleportation, ond mae hefyd yn cysylltu i brosesu gwybodaeth storio. Yn y pen draw, gallai hyn droi i mewn i rwydwaith o ddosbarthu rhyngwladol cyfrifiadur cwantwm neu sail ar gyfer y Rhyngrwyd cwantwm yn y dyfodol.

datblygiadau addawol

ensembles niwclear hystyried yn draddodiadol yn ddeniadol oherwydd eu trosi effeithlon o'r "golau mater" ac mae eu cyfnodau millisecond o storio, a all fod hyd at 100 ms sydd eu hangen i drosglwyddo golau yn fyd-eang. Fodd bynnag, erbyn hyn mae disgwyl i ddatblygiadau mwy datblygedig ar sail systemau lled-ddargludyddion, lle mae sbin rhagorol cof cwantwm ensemble integredig yn uniongyrchol â phensaernïaeth scalable o gylched QED. Gall hyn cof nid yn unig yn ymestyn y gylched QED amser cydlyniad, ond hefyd i ddarparu rhyngwyneb optegol-microdon ar gyfer interconversion o telathrebu a sglodion microdon ffotonau optegol.

Felly, darganfyddiadau o wyddonwyr ym maes y rhyngrwyd cwantwm yn y dyfodol yn debygol o fod yn seiliedig ar pellter hir cyfathrebu optegol, unedau semiconducting rhediadau ar gyfer prosesu gwybodaeth cwantwm.