Kvant teleportatsiya: fiziklar buyuk kashfiyotlar

Kvant teleportatsiya kvant axborot eng muhim protokollar biridir. tartibsizlik jismoniy resurslari asosida, turli axborot vazifalar asosiy elementi hisoblanadi va kvant hisoblash, tarmoq va aloqa yanada rivojlantirishda muhim rol o'ynab kvant texnologiyalari muhim qismini tashkil etadi.

ilmiy kashfiyotlari uchun ilmiy-fantastik From

Ehtimol, kvant mexanikasi "begonalik" eng qiziqarli va hayajonli oqibatlaridan biri hisoblanadi kvant teletaşınması kashf, beri ikki o'n yilliklar mobaynida bo'ldi. Bu buyuk kashfiyotlar qildi oldin, bu fikr ilmiy-fantastik olamga tegishli. Birinchi Charles H. Fort muddatli "teletaşınması" tomonidan 1931 yilda ixtiro beri tanasi va ob'ektlar bir joydan uzatiladi qaysi jarayonini tasvirlash uchun ishlatilgan, u, albatta, ular orasidagi masofani bartaraf emas.

1993 yilda u yuqorida keltirilgan alomatlar ba'zi birgalikda "kvant teleportatsiya" deb nomlangan kvant axborot protokol tasvirlab maqola, nashr. Bu jismoniy tizimi noma'lum davlat o'lchanadi va keyinchalik qayta ishlab, yoki uzoq saytida "qayta-ketadi", deb (original tizimi jismoniy elementlari joy o'tkazish qoladi). Bu jarayon aloqa mumtoz vositalarini talab va superluminal muloqot bartaraf etadi. Bu tartibsizlik hayot talab qiladi. Aslida, teleportatsiya eng aniq sarosimaga tabiatini namoyish kvant ma'lumotlarning protokoli sifatida ko'rish mumkin: transferi bir davlatning mavjudligi kvant mexanikasi tasvirlab qonunlar doirasida iloji bo'lmaydi holda.

Teleportatsiya axborot ilm-fani rivojida faol rol o'ynadi. Bir tomondan, bu rasmiy kvant rivojlantirishda muhim rol o'ynaydi kontseptual protokol bo'lib, axborot nazariyasi, va boshqa ko'plab texnologiyalar asosiy tarkibiy qismi hisoblanadi. kvant Repeater - uzoq masofalarga aloqa asosiy element. Teleportatsiya kvant kalitlari, o'lchovlar va kvant tarmog'i asosida hisoblash - uning barcha sanab chiqing. Bu vaqtinchalik egri va bug'lanish kuni fizika "juda", o'rganish uchun oddiy vositasi sifatida ishlatiladi qora teshik.

fotonik qubits, yadro magnit aks sado, optik usullari, atomlarning guruhlari, qolgan atomlar va yarimo'tkazgich tizimlari, shu jumladan, substratlar va texnologiyalar, turli xil yordamida butun dunyo bo'ylab laboratoriyalarida tasdiqlangan Bugun kvant teleportatsiya. Yuksak natijalarga sun'iy yo'ldosh bilan teleportatsiya qator kelgusi tajribalarida erishildi. Bundan tashqari, urinishlar yana murakkab tizimlarga kattalashtirish uchun qilingan.

qubits ning teleportatsiya

Kvant teleportatsiya birinchi ikki bosqichli tizimlar, deb atalmish qubits uchun tasvirlangan edi. qubit 2 baham Elis va Bob deb nomlangan ikki uzoq partiyalar, ko'rib Protokol, A va B sof chalkash holatda bo'ladi, shuningdek, Bell juft deb ataladi. Elis kiraverishda kimning holati ρ noma'lum boshqa qubit va berilgan. Bu keyin, qo'shma kvant o'lchash bajaradi Bell kashfiyot deb nomlangan. Bu to'rt Bell davlatlar birida A va A oshiradi. Natijada, Elis o'lchanadi qubit kirish davlat yo'qoladi va Bob B vaqtning o'zida ^† _k ρP _k R rejalashtirilgan _qubit. Oxirgi qadam protokol Alice original p tiklash uchun Pauli P _k operatori amal uning o'lchov Bob, bir klassik natija uzatadi.

aks holda protokol uning uzoq o'lchov pasaytirildi, chunki bir qubit Elis boshlang'ich davlat, anonim deb hisoblanadi. Bundan tashqari, u o'zi bir uchinchi shaxsga bilan birgalikda, bir katta aralashma tizimi, bir qismi bo'lishi mumkin (bu voqea muvaffaqiyatli teletaşınmanın barcha bu uchinchi tomon bilan o'qila korelasyonları talab).

kvant teletaşınması, odatda, bir tajriba, masalan, bir tor alifbosiga Bloch soha olti xodalarni sof asl holatini va tegishli oladi. rekonstruktsiya davlat decoherence sifati mavjud miqdor to'g'ri teleportatsiya F ∈ [0, 1] ifodalanishi mumkin. Elis va Bob davlatlar o'rtasida bu aniqligi, Bell va original alifbosidagi barcha ochish natijalari ustidan o'rtacha. usullari to'g'riligiga kichik qiymatlari uchun murakkab resurs holda nomukammal teletaşınması uchun imkon beruvchi, mavjud. Misol uchun, Elis bevosita Natijada yuzaga kelgan davlat tayyorlash uchun Bob yuborib, uning asl holatini o'lchash mumkin. Bu o'lchov-ta'lim strategiyasi deb ataladi "klassik teletaşınması." Bu F _sinf = har qanday kiritish davlat uchun 2/3, teng Alifbo bunday Bloch sohasida olti qutblar sifatida o'zaro bog'liq sharoitlar maksimal aniqligi ega.

Shunday qilib, kvant resurslaridan foydalanish yaqqol nozik qiymati F> F _sinf.

Birorta qubit

ko'ra kvant fizikasi, qubits ning teleportatsiya cheklangan emas, u ko'p o'lchovli tizimini o'z ichiga olishi mumkin. Har bir cheklangan chora d uchun asos maksimal ilinib davlat berilgan maksimal chalkash davlat olinishi mumkin vektorlar va asos {U _{k} ^uz} qondirish unitar operator ^{_{(U † j U k)}} yordamida ideal sxemasi teleportatsiya shakllantirish mumkin = dδ J, K . Bunday protokol biron cheklangan-Hilbert kosmik r. N. uchun qurilgan bo'lishi mumkin diskret o'zgaruvchi tizimlari.

Bundan tashqari, kvant teleportatsiya doimiy-o'zgaruvchan tizimlari deb ataladi cheksiz Hilbert kosmik tizimlar, murojaat qilishingiz mumkin. Qoida tariqasida, ular optik bozon usullari, kvadratura operatorlari tasvirlangan mumkin elektr maydon tomonidan amalga oshirildi.

Tezlik va noaniqlik printsipi

kvant teletaşınması tezligi qanday? Axborot klassik Shu soni uzatish tezligiga o'xshash bir tezlikda uzatiladi - ehtimol, bilan yorug'lik tezligida. Nazariy jihatdan, u shunday qanday mumtoz olmaydi, foydalanish mumkin - masalan, ma'lumotlar faqat oluvchiga mavjud kvant kompyuter, ham.

kvant teleportatsiya buzgan bo'ladimi noaniqlik printsipi? u barcha axborot atomi yoki boshqa ob'ekt chiqarib olish uchun har qanday o'lchov yoki ko'rish jarayonini taqiqlaydigan tamoyilini poymol deb hisoblaydi, chunki o'tmishda, teletaşınması fikr, albatta, olimlar tomonidan jiddiy qabul qilinmaydi. ob'ekt original davlat bir nusxasini yaratish uchun etarli ma'lumot olinishi mumkin emas, deb bunday darajada bezovta qachon, bir nuqtaga yetib qadar noaniqlik printsipi muvofiq, ko'proq aniq ob'ekt izlanadi, yana u ko'rish ishlashning ta'sir ko'rsatadi. Bu ishonarli tovushlar: Bir kishi mukammal nusxalari yaratish ob'ektga ma'lumot chiqarib olmasa, ikkinchi amalga oshirilishi mumkin emas.

Dummies Kvant teleportatsiya

Lekin olti olimlar (Charles Bennet, Zhil Brassar, Klod Crépeau, Richard Dzhosa, Osher Peres va Uilyam Vuters) Eynshteyn-Podolsky-Rose sifatida tanilgan kvant mexanikasi bir mashhur va paradoksal xususiyatidan foydalanib, bu mantiq atrofida bir yo'lini topdi. Ular axborot teleportatsiya ob'ekt to'laligicha uchun bir yo'l, va A abadiy hech qachon bilan aloqada transfer boshqa ob'ektlar ta'siri orqali qolgan sinov qismini topdik.

Keyinchalik, C ta'sir qaram skaner ma'lumotga qo'llash orqali harakatlanish uchun davlat A kirgan bo'lishi mumkin. Va o'zi shunday erishilgan, bekor rish jarayonining bir xil holatda emas teleportatsiya, balki replikatsiya bo'ladi.

qator uchun kurash

• birinchi kvant teleportatsiya Insbruk universiteti va Rim universiteti olimlari tomonidan deyarli bir vaqtning o'zida 1997 yilda bo'lib o'tdi. eksperiment davomida bir foton manbai bir polarizasyonunu ega, va ikkinchi original polarization foton qabul, shunday qilib, kezib fotonlar bir juft biri o'zgardi. Shunday qilib, har ikki fotonlar bir-biridan intervalgacha.
• 2012 yilda, 97 km masofada tog 'ko'li orqali muntazam ravishda kvant teleportatsiya (Fan va texnologiya Xitoy universiteti). Xuan Iinem boshchiligidagi Shanxay olimlari guruhi aniq maqsadli nur ruxsat uyat mexanizmini rivojlantirish muvaffaq bo'ldi.
• Sentyabr oyida, 143 km rekord summa teleportatsiya Shu yil amalga oshirildi. Avstriya Fanlar akademiyasi va Antona Tsaylingera rahnamoligida Vena universiteti Avstriya olimlar muvaffaqiyatli La Luhrmannnig va Tenerife ikki kanareyka orollari orasidagi kvant davlatlarni uzatiladigan bo'ldi. tajriba ochiq, kvantumnaya va fotonlar manbalari mumtoz, chastota uncorrelated polarization chalkash juft ikki optik aloqa liniyalari ishlatiladi, yagona-foton yassi va tushunish, soat sinxronlashtirish sverhnizkoshumnye.
• 2015-yilda, birinchi marta AQSh Milliy Standartlar va texnologiyalar instituti tadqiqotchilari optik tola ortiq 100 km masofaga ustidan axborot uzatishni amalga oshirdi. Bu molibden silisitlerin ning süperiletken nanoteller yordamida instituti tashkil foton futboli tufayli erishildi.

Bu kvant tizimi yoki texnologiya ideal hali mavjud emas, deb ochiq-oydin va kelajakda buyuk kashfiyotlar hali hisoblanadi. Shunday bo'lsa-da, biz teletaşınması muayyan ilovalar uchun mumkin bo'lgan nomzodlar aniqlash harakat qilib ko'rishingiz mumkin. Tegishli hibridizasyon ularni izchil bazasini taqdim va usullari kvant teletaşınmanın va uning amaliy dasturlar uchun eng istiqbolli kelajagini ta'minlashi mumkin.

qisqa masofalar

Teleportatsiya QED bir diagrammasi eng yaxshi bo'lgan bir kvant hisoblash quyi istiqbolli yarimo'tkazgich qurilmalar, deb qisqa masofa (1 m). Xususan, süperiletken qubits yilda transmonovye deterministik va juda to'g'ri teleportatsiya yonga kafolat mumkin. Ular, shuningdek, yorug'lik chiplari muammoli ko'rinadi real-vaqt, bir to'g'ridan-to'g'ri oqimini beradi. Bundan tashqari, ular ko'proq ölçeklenebilir arxitektura, bunday tuzoqqa ionlari kabi oldingi yondashuvlar, nisbatan mavjud texnologiyalar yaxshi integratsiyasini ta'minlash. Ayni paytda, bu tizimlar bir ahvolga tushgan, aftidan, ularning cheklangan mustahkamlik vaqt (<100-milodiy) hisoblanadi. Bu muammo yarimo'tkazgichlar davrlari, ma'lumotlarni saqlash kvant uchun uzoq mustahkamlik vaqt mumkin ansambli xotira hujayralarini (nodir er elementlari bilan katkılandırma bo'sh ish o'rinlari yoki billur bilan azot-tiklash qilingan), gir-gir aylana bilan QED integratsiyasi yordamida hal qilinishi mumkin. Ayni paytda, bu amalga oshirish, ilmiy hamjamiyat katta sa'y-harakatlari uchun masalasidir.

shahar bog'laning

Biz shahar ko'lamli (bir necha kilometr) teleport optik usullari foydalanish ishlab mumkin. etarli darajada past gangib, ushbu tizimlar, yuqori tezlik va tarmoqli kengligi bilan ta'minlash. Ular kvant xotira bir ansambli bilan mumkin integratsiyasi bilan havo yoki optik tola, ustidan faoliyat o'rta masofaga tizimlari uchun ish stoli tatbiqlari dan uzaytirilishi mumkin. uzoq masofalarga, lekin kam tezlik bilan bir gibrid yondashuv bilan yoki non-Gaussian jarayonlar asosida yaxshi tekrarlayıcı rivojlantirish orqali erishish mumkin.

telekommunikatsiya

Uzoq masofalarga kvant teleportatsiya (km 100 dan ortiq) faol maydoni, lekin hali ham ochiq muammo aziyat chekmoqda. Polarizasyon qubits - aloqa uzoq optik tolali liniyalari ustida va havo orqali past tezlikda Teleport uchun eng yaxshi tashuvchilar, lekin ayni paytda protokol tufayli to'liq aniqlash Bella bir ehtimol emas.

olasılıklı teleportatsiya va chalkashlik bunday dolaşıklık va kvant kriptografiya damıtılması kabi amaliy dasturlar uchun mos bo'lgan, lekin u Kirish axborot to'liq saqlanib kerak bo'lgan aloqa aniq farq bo'lsa-da.

Biz bu ehtimol tabiati qabul bo'lsa, sun'iy yo'ldosh amalga oshirish, zamonaviy texnologiyalarni erishish ichida. kuzatuv usullari integratsiyasi tashqari, asosiy muammo nuri yoyilishiga sabab yuqori yo'qotishlar bor. Bu chalkashlik katta oraliqni bilan er usti teleskop uchun sun'iy yo'ldosh tarqatilgan bir konfiguratsion bartaraf qilinishi mumkin. 600 km balandlikda va erga 1 m teshik teleskop 20 sm sun'iy yo'ldosh oraliqni faraz, bir zamin darajasida kamida 80 dB ziyon bo'lgan, pastki aloqa kanali zarar haqida 75 JB kutish mumkin. "Yer sun'iy yo'ldosh» yoki «o'rtoq yo'ldosh" amalga oshirish ancha murakkab bo'ladi.

kvant xotira

ölçeklenebilir tarmoq qismi sifatida teletaşınmanın Future foydalanish kvant xotira bilan integratsiya qilish bevosita bog'liq bo'ladi. ikkinchisi samaradorligi aylantirish interfeysi "radiatsiya-materiya», ro'yxatga olish va o'qish, vaqt va xotira hajmi, yuqori tezlik va saqlash quvvatiga ega aniqligi jihatidan ajoyib bo'lishi kerak. Avvalo siz uzoq xato tuzatish kodlari yordamida to'g'ridan-to'g'ri uzatish tashqarida muloqot oshirish uchun tekrarlayıcı foydalanish imkonini beradi. yaxshi kvant xotira rivojlantirish telefini va teleportatsiya tarmoq muloqot tarqatish, balki saqlangan ma'lumotlarni qayta ishlash bilan bog'liq emas, balki faqat beradi. Oxir oqibatda, bu xalqaro tarqalgan tarmog'i uyg'otadigan kvant kompyuter yoki kelajak kvant Internet uchun asos.

istiqbolli o'zgarishlar

Yadro ansambllar an'anaviy chunki global nur uzatish uchun zarur bo'lgan 100, milodiy qadar bo'lishi mumkin "yengil-materiya" va saqlash, ularning millisoniya davrlarida, ularning samarali o'tkazishda jozibador hisoblanadi. Biroq, yana ilg'or o'zgarishlar, endi yaxshi Spin ansambli kvant xotira to'g'ridan elektron QED ölçeklenebilir me'moriy bilan integratsiya yarimo'tkazgichlar tizimlari asosida kutilmoqda. Ushbu xotira faqat mustahkamlik vaqt elektron QED uzaytirish mumkin emas, balki optik telekommunikatsiya va chip mikroto'lqinli fotonlar interconversion uchun optik-mikroto'lqinli interfeysi bilan ta'minlash.

Shunday qilib, kvant Internet sohasida olimlar kelajak kashfiyotlar uzoq masofa optik aloqa, kvant ma'lumot qayta ishlash uchun birlashgan yarim o'tkazgichlar birliklar asosida bo'lishi ehtimoldan yiroq.