Quantum teleportation: ang dako nga mga kaplag sa mga pisiko

Quantum teleportation mao ang usa sa labing importante nga mga protocols sa quantum nga impormasyon. Base sa pisikal nga mga kapanguhaan sa kasamok, kini mao ang nag-unang elemento sa nagkalain-laing mga buluhaton impormasyon ug nagrepresentar sa usa ka importante nga bahin sa quantum teknolohiya pagdula sa usa ka yawe nga papel sa mga dugang kalamboan sa quantum Computing, networking ug komunikasyon.

Gikan sa science fiction sa siyentipikanhong mga diskoberiya

Kini na sa duha ka dekada sukad sa pagkadiskobre sa quantum teleportation, nga mao tingali ang usa sa labing makapaikag ug kulbahinam nga mga sangputanan sa "strangeness" sa mechanics quantum. Sa wala pa kini nagbuhat sa mga dagkung mga kaplag, kini nga ideya iya sa gingharian sa science fiction. Una imbento sa 1931 ni Charles H. Fort termino nga "teleportation" sukad nga gigamit sa paghulagway sa proseso nga sa lawas ug ang mga butang nga gibalhin gikan sa usa ka dapit ngadto sa lain, kini dili gayud makabuntog sa gilay-on sa taliwala kanila.

Sa 1993 iyang gipatik sa usa ka artikulo nga naghulagway sa protocol sa quantum nga impormasyon, nga gitawag "quantum teleportation", nga mipakigbahin sa pipila sa mga sintomas nga gilista sa ibabaw. Kini wala mailhi nga kahimtang sa usa ka pisikal nga sistema gisukod ug sunod pakopya, o "pag-adto" sa hilit nga dapit (ang pisikal nga mga elemento sa orihinal nga sistema magpabilin sa dapit transfer). Kini nga proseso nagkinahanglan sa klasikal nga paagi sa komunikasyon ug mitangtang sa superluminal komunikasyon. Kini nagkinahanglan sa usa ka kinabuhi sa kalibog. Sa pagkatinuod, teleportation mahimong gitan-aw ingon nga usa ka protocol sa quantum impormasyon nga labing tin-aw nagpakita sa kinaiya sa mga kagubot; wala ang presensya sa usa ka kahimtang sa pagbalhin dili mahimo sa sulod sa gambalay sa mga balaod nga naghulagway sa mga mekaniko quantum.

Teleportation ang papel sa usa ka aktibo nga papel sa kalamboan sa siyensiya sa impormasyon. Sa usa ka bahin, kini mao ang usa ka konseptuwal protocol, nga pasundayag sa usa ka importante nga papel sa kalamboan sa usa ka pormal nga quantum nga impormasyon teoriya, ug sa ibabaw sa uban nga mga kini mao ang usa ka sukaranan nga bahin sa daghang mga teknolohiya. Ang quantum repeater - sa usa ka yawe nga elemento sa dugay-gilay-on nga komunikasyon. Teleportation quantum pagbalhin, pagsuma base sa sukod ug quantum network - ang tanan nga naggumikan niini. Kini gigamit ingon nga sa usa ka yano nga himan alang sa pagtuon sa "grabeng" sa pisika, sa temporaryo nga kurbada ug evaporation sa itom nga mga buslot.

Karon quantum teleportation on diha sa laboratoryo sa tibuok kalibutan nga paggamit sa usa ka lainlaing matang sa mga substrates ug mga teknolohiya, lakip na ang photonic qubits, nukleyar magnetic resonance, optical paagi, mga grupo sa mga atomo, ang natanggong atomo ug mga sistema nga semiconductor. Outstanding resulta na makab-ot sa teleportation laing anhi eksperimento uban sa satellites. Dugang pa, paningkamot nga gihimo sa timbangan nga sa mas komplikado nga mga sistema.

teleportation sa qubits

Quantum teleportation nga una nga gihulagway alang sa mga sistema sa duha ka-level, ang gitawag nga qubits. Protocol naghunahuna sa duha ka hilit nga mga partido, nga gitawag Alice ug Bob, nga mopakigbahin sa qubit 2, A ug B anaa sa putli nga nangagapus nga kahimtang, nga gitawag usab Bell pares. Sa pultahan sa Alice nga gihatag sa laing qubit ug kansang kahimtang ρ wala mahibaloi. unya nagbuhat, naghimo niini nga usa ka joint quantum sukod, nga gitawag sa pagkadiskobre sa Bell. Kini nagdala sa usa ka ug usa ka sa usa sa upat ka Bell nag-ingon. Ingon sa usa ka resulta, ang input sa estado sa qubit sa diha nga gisukod Alice disappears ug Bob B qubit dungan project sa P ^† _k ρP _k. Sa katapusan nga mga lakang protocol Alice ipasa sa usa ka klasikal nga resulta sa iyang sukod Bob, nga magamit Pauli P _k operator sa pagpasig-uli sa orihinal nga ρ.

Ang inisyal nga kahimtang sa usa ka qubit Alice giisip nga anonymous, tungod kay kon dili ang protocol mao ang pagkunhod sa iyang hilit nga sukod. Dugang pa, mahimo sa iyang kaugalingon nga kini mahimong kabahin sa usa ka mas dako nga composite sistema, mipakigbahin uban sa usa ka ikatulo nga party (sa niini nga kaso malampuson teleportation sa tanan nagkinahanglan hulad ol og kahulugan uban sa niini nga ikatulo nga partido).

Usa ka tipikal nga eksperimento sa quantum teleportation nagkinahanglan putli orihinal nga estado ug nga sakop sa usa ka lamang alpabeto, alang sa panig-ingnan, unom ka mga yayongan sa mga Bloch dapit. Sa atubangan sa decoherence kalidad sa mga gitukod pag-usab nga kahimtang mahimong nagpahayag kantitatibong tukma teleportation F ∈ [0, 1]. Kini nga katukma sa taliwala sa estado sa Alice ug Bob, average sa ibabaw sa tanan nga mga resulta detection sa Bell ug sa orihinal nga alpabeto. Alang sa gagmay nga mga prinsipyo sa pagkatukma sa mga pamaagi anaa, sa pagtugot alang sa dili-hingpit nga teleportation nga walay makuti nga kapanguhaan. Pananglitan, si Alice aron direkta nga pagsukod sa iyang orihinal nga estado pinaagi sa pagpadala Bob alang sa pag-andam sa sa sangputanan nga kahimtang. Kini nga sukod-training pamaagi gitawag nga "klasikal teleportation." Kini adunay usa ka maximum tukma sa F _class = 2/3 alang sa bisan unsa nga input nga kahimtang, ang katumbas alpabetikal nga pagkahan-mutually patas nga kahimtang sa sama sa Bloch dapit unom ka poste.

Mao kini ang, sa usa ka tin-aw nga timailhan sa sa paggamit sa mga quantum mga kapanguhaan mao ang usa ka tukma nga bili F> F _klase.

Dili usa ka qubit

Sumala sa quantum physics, teleportation sa qubits dili limitado, kini naglakip sa usa ka multi-dimensional nga sistema. Alang sa matag kinutuban sukod d mahimong formulated sulundon nga pamaagi teleportation sa paggamit sa basehan maximally hinigot vector nga kahimtang nga mahimo nga nakuha gikan sa usa ka gihatag nga maximally nangagapus nga kahimtang ug sa usa ka basehan {U _k} unitary operators pagtagbaw sa ^{_{tr (U † j U k)}} = dδ j, k . Ang maong protocol mahimong gitukod alang sa bisan unsa nga may kinutuban-Hilbert luna r. N. magkalahi baryable sistema.

Dugang pa, quantum teleportation magamit sa mga sistema uban sa walay katapusan nga Hilbert luna, nga gitawag padayon-baryable sistema. Ingon sa usa ka pagmando sa, sila nakaamgo sa Optical boson paagi, ang mga electric kapatagan nga mahimong gihulagway quadrature operators.

Speed ug walay kasiguroan nga baruganan

Unsa ang speed sa quantum teleportation? Impormasyon transmitted sa usa ka speed nga susama sa sa speed sa transmission sa gidaghanon sa mga classic - posible uban sa sa speed sa kahayag. Sa teoriya, kini sa ingon gamiton, sa unsa nga paagi nga dili klasikal makahimo - alang sa panig-ingnan, sa quantum Computing, diin ang mga data anaa lamang sa dumadawat.

Ba quantum teleportation nagalapas sa Walay Kasigurohan nga Baruganan? Sa nangagi, ang ideya sa teleportation dili gayud seryosohon sa mga eskolar, tungod kay kini nagtuo nga kini naglapas sa baruganan sa pagdili sa bisan unsa nga igsusukod o gi-scan proseso sa pagkuha sa tanan nga mga impormasyon atomo o sa ubang mga butang. Subay sa sa baruganan sa walay kasiguroan, ang mga labaw nga tukma ang butang nga scan, ang labaw nga kini naimpluwensiyahan sa proseso sa gi-scan hangtud ang usa ka punto ang nakaabot sa diha nga ang orihinal nga kahimtang sa mga butang matugaw sa maong usa ka gidak-on nga labaw pa dili makuha igo nga impormasyon sa paghimo sa usa ka replika. Kini nga paminawon makapakombinsir: kon ang usa ka tawo dili kinuha impormasyon gikan sa butang sa paghimo sa hingpit nga mga kopya, sa ulahing mga dili nga buhaton.

Quantum Teleportation alang sa dummies

Apan ang unom ka mga siyentipiko (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Aser Peres, ug Uilyam Vuters) nakakaplag sa usa ka paagi sa palibot katarungan niini, sa paggamit sa usa ka bantog nga ug nagkasumpaki nga bahin sa quantum mechanics nga nailhan nga Einstein-Podolsky-Rosen. Ilang nakita ang usa ka paagi sa scan sa impormasyon teleported butang A, ug ang nahibilin nga linghod nga bahin pinaagi sa epekto sa pagbalhin sa ubang mga butang diha sa kontak uban sa usa ka dili magapabilin.

Human niana, pinaagi sa pagpadapat sa sa P exposure nagsalig scan nga impormasyon mahimong misulod ngadto sa estado sa usa ka sa scan. Ug sa iyang kaugalingon mao ang wala diha sa sama nga kahimtang ingon nga ang mga gibali proseso gi-scan, sa ingon makab-ot ang teleportation, dili sa pagkopya.

Ang pakigbisog alang sa laing

• Ang unang quantum teleportation nahitabo sa 1997 halos dungan sa mga siyentipiko gikan sa University of Innsbruck ug sa University sa Roma. Atol sa eksperimento sa usa ka photon tinubdan nga may usa ka dakong kalahian, ug ang usa sa usa ka parisan sa hinigot photon giusab aron nga ang ikaduha nga orihinal nga polarization photon nadawat. Mao kini ang duha photon mga spaced gikan sa matag usa.
• Sa 2012, may usa ka regular nga teleportation quantum (China University of Science and Technology) pinaagi sa alpine linaw sa usa ka gilay-on nga 97 km. Usa ka team sa mga siyentipiko gikan sa Shanghai nga gipangulohan ni Juan Iinem nakahimo sa pagpalambo og usa ka masugyoton nga mekanismo nga nagtugot sa tukma target pinutol nga kahoy.
• Sa Septyembre, usa ka talaan quantum teleportation sa 143 km nga gidala sa gawas sa samang tuig. Austrian mga siyentipiko gikan sa Academy of Sciences sa Austria ug sa University of Vienna ubos sa pagdumala sa Antona Tsaylingera malamposong transmitted quantum estado sa taliwala sa duha ka Canary Islands sa La Palma ug Tenerife. eksperimento ang gigamit sa duha ka optical linya sa komunikasyon sa open, kvantumnaya ug klasikal, frequency uncorrelated polarization nangagapus parisan sa photon tinubdan, sverhnizkoshumnye single-photon detector ug clutch orasan synchronize.
• Sa 2015, ang mga tigdukiduki gikan sa US National Institute sa mga Sumbanan ug Technology alang sa unang higayon nga gihimo sa pagbalhin sa impormasyon sa ibabaw sa usa ka gilay-on sa labaw pa kay sa 100 km sa optical fiber. Kini nahimong posible pasalamat ngadto sa institute gibuhat sa photon detector sa paggamit sa dako kaayong nanowires sa molybdenum silicide.

Kini mao ang tin-aw nga ang sulundon nga sa usa ka sistema sa quantum o teknolohiya wala pa anaa ug ang dakung nadiskobrehan sa umaabot pa nga moabut. Bisan pa niana, kita maningkamot sa pag-ila sa posible nga kandidato alang sa piho nga mga aplikasyon sa teleportation. Angay Hybridization kanila naghatag makanunayon nga basehan ug mga pamaagi aron paghatag sa labing maayong kaugmaon sa quantum teleportation ug mga aplikasyon niini.

mubo nga distansiya

Teleportation sa usa ka mubo nga gilay-on (1 m) ingon nga usa ka quantum pagsuma bahin sa sistema sa nagsaad lalang semiconductor, ang labing maayo nga sa nga mao ang usa ka diagram sa QED. Sa partikular, dako kaayong qubits transmonovye makagarantiya deterministic ug sa kaayo tukma teleportation chip. Sila usab motugot sa usa ka direkta nga dagan sa tinuod nga-time, nga daw problema sa photonic chips. Dugang pa, sila sa paghatag og usa ka labaw nga scalable arkitektura, ug mas maayo nga integration sa kasamtangan nga mga teknolohiya sama sa itandi sa miaging mga pamaagi, sama sa natanggong ion. Sa pagkakaron, ang bugtong drawback niini nga mga sistema sa dayag ang ilang limitado pagsunod panahon (<100 ms). kini nga problema mahimo nga masulbad pinaagi sa paggamit sa QED integration sa semiconductor sirkito magakalinyas kumparsa handumanan nga mga selula (nitrogen-gipulihan sa bakante o kristal sabog sa talagsaong mga elemento sa yuta), nga makahatag sa usa ka hataas nga panahon pagsunod alang sa quantum sa data storage. Sa pagkakaron, pagpatuman kini mao ang usa ka butang alang sa mas dako nga mga paningkamot sa siyentipikanhong komunidad.

City link

Kanato teleport sa siyudad scale (pipila ka kilometro) mahimong naugmad sa paggamit sa optical paagi. Sa igo ubos nga kapildihan, kini nga mga sistema sa paghatag og taas nga speed ug bandwidth. Sila mahimong gitunol gikan sa desktop implementar sa medium-laing sistema sa operate sa ibabaw sa hangin o optical fiber, uban sa posible nga integration uban sa usa ka kumparsa sa quantum handumanan. Sa layo, apan uban sa ubos nga speed mahimong makab-ot sa usa ka hybrid nga paagi o pinaagi sa pagpalambo sa maayong repeaters base sa non-Gaussian proseso.

telekomunikasyon

Long-gilay-on quantum teleportation (sa ibabaw sa 100 km) mao ang usa ka aktibo nga dapit, apan sa gihapon nag-antos gikan sa usa ka bukas nga problema. Polarization qubits - ang labing maayo nga mga tagdala alang sa ubos nga-speed teleport sa taas nga fiber optic linya sa komunikasyon ug pinaagi sa hangin, apan sa higayon nga ang protocol mao ang usa ka probabilistic tungod sa dili kompleto detection Bella.

Bisan tuod probabilistic teleportation ug pagkagumon mao ang angay alang sa mga aplikasyon sama sa distillation sa pagkagumon ug quantum cryptography, apan kini mao ang tin-aw nga lahi gikan sa komunikasyon diin ang input nga impormasyon kinahanglan nga bug-os napreserbar.

Kon kita modawat niini probabilistic nga kinaiya, ang pagpatuman sa mga satellite anaa sa sulod sa makab-ot sa mga modernong teknolohiya. Dugang pa sa integration sa tracking mga pamaagi, ang mga nag-unang problema mao ang mga hatag-as nga kapildihan tungod sa sa pagpakaylap sa pinutol nga kahoy. Kini mahimong mabuntog diha sa usa ka kontorno diin pagkagumon ang-apod-apod gikan sa satellite ngadto sa terrestrial teleskopyo uban sa usa ka dako nga buho nga lutsanan. Ibutang ta satellite aperture sa 20 cm sa 600 km ang gitas-on ug 1 m nga lutsanan teleskopyo sa yuta, ang usa ka magdahum nga mga 75 dB sa pagkawala sa usa ka downlink channel nga mao ang dili kaayo kay sa 80 dB pagkawala sa yuta nga lebel. Pagpatuman sa "yuta satellite" o "kauban satellite" mas komplikado.

quantum handumanan

Umaabot nga paggamit sa teleportation ingon nga bahin sa usa ka scalable network mao ang direkta nga may kalabutan sa iyang integration sa quantum panumdoman. Ang ulahing kinahanglan nga adunay maambong sa mga termino sa efficiency pagkakabig interface "radiation-butang ', sa usa ka tukma sa recording ug sa pagbasa, sa panahon ug sa storage kapasidad, high speed ug sa pagtipig kapasidad. Una sa tanan nagtugot kini kaninyo sa paggamit sa repeaters alang sa pagpalambo sa komunikasyon sa halayo sa unahan sa direkta nga pagbalhin sa paggamit sa sayop pagtul-id code. Ang kalamboan sa usa ka maayo nga quantum handumanan tugotan dili lamang sa-apod-apod pagkagumon ug teleportation network komunikasyon, apan usab konektado sa pagproseso gitipigan nga impormasyon. Sa katapusan, kini nga mobalik ngadto sa usa ka network sa internasyonal nga-apod-apod quantum computer o sa usa ka basehan alang sa umaabut nga quantum Internet.

nagsaad kalambuan

Nuclear banda tradisyonal giisip madanihon tungod sa ilang maayo nga pagkakabig sa mga "kahayag-butang" ug ang ilang millisecond panahon sa storage, nga mahimong sa 100 ms nga gikinahanglan sa pagpasa sa kahayag sa kalibutan. Apan, mas abante nga mga hitabo karon gilauman sa basehan sa mga sistema sa semiconductor, diin maayo kaayo nga nanagkalinyas kumparsa quantum handumanan direkta integrated sa scalable arkitektura sa sirkitong QED. handumanan Kini dili lamang extend sa pagsunod sa panahon sa sirkito QED, apan usab sa paghatag og Optical-microwave interface alang sa interconversion sa Optical telecommunication ug chip microwave photon.

Busa, sa umaabot nga mga kaplag sa mga siyentipiko sa kapatagan sa quantum internet mao ang lagmit nga base sa hataas-nga-gilay-on optical komunikasyon, balayon semiconducting mga yunit alang sa quantum impormasyon pagproseso.