Kwantumteleportasie is een van die belangrikste protokolle in kwantuminligting. Gebaseer op die fisiese hulpbron van verstrengeling, dien dit as die hoofelement van verskeie inligtingstake en is 'n belangrike komponent van kwantumtegnologieë, wat 'n sleutelrol speel in die verdere ontwikkeling van kwantumrekenaars, netwerke en kommunikasie.
Van wetenskapfiksie tot die ontdekking van wetenskaplikes
Dit is meer as twee dekades sedert die ontdekking van kwantumteleportasie, wat miskien een van die interessantste en opwindendste gevolge van die "vreemdheid" van kwantummeganika is. Voordat hierdie groot ontdekkings gemaak is, het hierdie idee tot die gebied van wetenskapfiksie behoort. Die term "teleportasie" is vir die eerste keer in 1931 geskep deur Charles H. Fort en is sedertdien gebruik om te verwys na die proses waardeur liggame en voorwerpe van een plek na 'n ander oorgeplaas word sonder om werklik die afstand tussen hulle te reis.
In 1993 is 'n artikel gepubliseer wat die kwantuminligtingsprotokol beskryf, genaamd"kwantumteleportasie", wat verskeie van die kenmerke hierbo gedeel het. Daarin word die onbekende toestand van 'n fisiese stelsel gemeet en daarna gereproduseer of "hersaamgestel" op 'n afgeleë plek (die fisiese elemente van die oorspronklike stelsel bly by die oordragperseel). Hierdie proses vereis klassieke kommunikasiemiddele en sluit FTL-kommunikasie uit. Dit het 'n hulpbron van verstrengeling nodig. Trouens, teleportasie kan gesien word as 'n kwantuminligtingsprotokol wat die aard van verstrengeling die duidelikste demonstreer: sonder die teenwoordigheid daarvan sou so 'n toestand van oordrag nie moontlik wees binne die raamwerk van die wette wat kwantummeganika beskryf nie.
Teleportasie speel 'n aktiewe rol in die ontwikkeling van inligtingwetenskap. Aan die een kant is dit 'n konseptuele protokol wat 'n deurslaggewende rol speel in die ontwikkeling van formele kwantuminligtingsteorie, en aan die ander kant is dit 'n fundamentele komponent van baie tegnologieë. Die kwantumherhaler is 'n sleutelelement van kommunikasie oor lang afstande. Kwantumskakelaar-teleportasie, dimensie-gebaseerde rekenaars en kwantumnetwerke is alles afgeleides daarvan. Dit word ook gebruik as 'n eenvoudige hulpmiddel vir die bestudering van "uiterste" fisika rakende tydkurwes en swartgatverdamping.
Vandag is kwantumteleportasie in laboratoriums regoor die wêreld bevestig deur baie verskillende substrate en tegnologieë te gebruik, insluitend fotoniese qubits, kernmagnetiese resonansie, optiese modusse, groepe atome, vasgevangde atome, enhalfgeleierstelsels. Uitstekende resultate is behaal op die gebied van teleportasie-reeks, eksperimente met satelliete kom. Daarbenewens het pogings begin om op te skaal na meer komplekse stelsels.
Teleportasie van qubits
Kwantumteleportasie is die eerste keer beskryf vir tweevlakstelsels, die sogenaamde qubits. Die protokol beskou twee verre partye, genaamd Alice en Bob, wat 2 qubits, A en B deel, in 'n suiwer verstrengelde toestand, ook genoem 'n Bell-paar. By die invoer kry Alice nog 'n kwbit a, waarvan die toestand ρ onbekend is. Sy doen dan 'n gesamentlike kwantummeting genaamd Bell-detectie. Dit neem 'n en A na een van die vier Bell state. As gevolg hiervan verdwyn die toestand van Alice se insetkwbit tydens die meting, en Bob se B-kwbit word gelyktydig op Р†kρP geprojekteer k. Op die laaste stadium van die protokol stuur Alice die klassieke resultaat van haar meting aan Bob, wat die Pauli-operateur Pk gebruik om die oorspronklike ρ te herstel.
Die aanvanklike toestand van Alice se qubit word as onbekend beskou, want anders word die protokol tot sy afstandmeting verminder. Alternatiewelik kan dit self deel wees van 'n groter saamgestelde stelsel wat met 'n derde party gedeel word (in welke geval, suksesvolle teleportasie vereis dat alle korrelasies met daardie derde party weergegee word).
'n Tipiese kwantum-teleportasie-eksperiment neem aan dat die aanvanklike toestand suiwer is en aan 'n beperkte alfabet behoort,byvoorbeeld die ses pole van die Bloch-sfeer. In die teenwoordigheid van dekoherensie kan die kwaliteit van die gerekonstrueerde toestand gekwantifiseer word deur die teleportasie akkuraatheid F ∈ [0, 1]. Dit is die akkuraatheid tussen die state van Alice en Bob, gemiddeld oor al die Bell-opsporingsresultate en die oorspronklike alfabet. By lae akkuraatheidswaardes is daar metodes wat onvolmaakte teleportasie toelaat sonder om 'n verduisterde hulpbron te gebruik. Byvoorbeeld, Alice kan haar aanvanklike toestand direk meet deur die resultate aan Bob te stuur om die gevolglike toestand voor te berei. Hierdie meting-voorbereidingstrategie word "klassieke teleportasie" genoem. Dit het 'n maksimum akkuraatheid van Fklas=2/3 vir 'n arbitrêre invoertoestand, wat gelykstaande is aan 'n alfabet van wedersyds onbevooroordeelde toestande, soos die ses pole van 'n Bloch-sfeer.
Dus, 'n duidelike aanduiding van die gebruik van kwantumhulpbronne is die akkuraatheidswaarde F> Fclass.
Nie 'n enkele kwbit
Volgens kwantumfisika is teleportasie nie beperk tot qubits nie, dit kan multidimensionele stelsels insluit. Vir elke eindige dimensie d kan 'n mens 'n ideale teleportasieskema formuleer deur gebruik te maak van 'n basis van maksimum verstrengelde toestandsvektore, wat verkry kan word vanaf 'n gegewe maksimum verstrengelde toestand en 'n basis {Uk} van eenheidsoperateurs wat tr(U †j Uk)=dδj, k bevredig . So 'n protokol kan vir enige eindig-dimensionele Hilbert saamgestel wordspasies van die sg. diskrete veranderlike stelsels.
Boonop kan kwantumteleportasie ook uitgebrei word na stelsels met 'n oneindig-dimensionele Hilbert-ruimte, wat kontinu-veranderlike stelsels genoem word. As 'n reël word hulle gerealiseer deur optiese bosoniese modusse, waarvan die elektriese veld deur kwadratuuroperateurs beskryf kan word.
Beginsel van spoed en onsekerheid
Wat is die spoed van kwantumteleportasie? Inligting word oorgedra teen 'n spoed soortgelyk aan dié van dieselfde hoeveelheid klassieke transmissie - miskien teen die spoed van lig. Teoreties kan dit gebruik word op maniere wat die klassieke een nie kan nie - byvoorbeeld in kwantumrekenaars, waar data slegs vir die ontvanger beskikbaar is.
Skend kwantumteleportasie die onsekerheidsbeginsel? In die verlede is die idee van teleportasie nie baie ernstig deur wetenskaplikes opgeneem nie, want daar is gedink dat dit die beginsel oortree dat enige meet- of skanderingsproses nie al die inligting van 'n atoom of ander voorwerp sal onttrek nie. Volgens die onsekerheidsbeginsel, hoe meer akkuraat 'n voorwerp geskandeer word, hoe meer word dit deur die skanderingsproses beïnvloed, totdat 'n punt bereik word waar die oorspronklike toestand van die voorwerp in so 'n mate geskend word dat dit nie meer moontlik is om te verkry nie. genoeg inligting om 'n presiese kopie te skep. Dit klink oortuigend: as 'n persoon nie inligting uit 'n voorwerp kan onttrek om 'n perfekte kopie te skep nie, kan die laaste een nie gemaak word nie.
Kwantum-teleportasie vir dummies
Maar ses wetenskaplikes (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez en William Wuthers) het 'n manier om hierdie logika gevind deur die bekende en paradoksale kenmerk van kwantummeganika bekend as die Einstein-Podolsky- te gebruik. Rosen effek. Hulle het 'n manier gevind om 'n deel van die inligting van die getelporteerde voorwerp A te skandeer, en die res van die ongeverifieerde deel deur die genoemde effek na 'n ander voorwerp C oor te dra, wat nog nooit met A in aanraking was nie.
Verder, deur 'n invloed op C toe te pas wat van die geskandeerde inligting afhang, kan jy C in toestand A plaas voordat jy skandering. A self is nie meer in dieselfde toestand nie, aangesien dit heeltemal verander is deur die skanderingsproses, dus wat bereik is, is teleportasie, nie replikasie nie.
Sukkel om omvang
- Die eerste kwantum-teleportasie is in 1997 byna gelyktydig deur wetenskaplikes van die Universiteit van Innsbruck en die Universiteit van Rome uitgevoer. Tydens die eksperiment is die oorspronklike foton, wat 'n polarisasie het, en een van die paar verstrengelde fotone, op so 'n manier verander dat die tweede foton die polarisasie van die oorspronklike een ontvang het. In hierdie geval was beide fotone op 'n afstand van mekaar.
- In 2012 het nog 'n kwantum-teleportasie plaasgevind (China, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie) deur 'n hoë bergmeer op 'n afstand van 97 km. 'n Span wetenskaplikes van Sjanghai, onder leiding van Huang Yin, het daarin geslaag om 'n soekmeganisme te ontwikkel wat dit moontlik gemaak het om die straal akkuraat te rig.
- In September van dieselfde jaar is 'n rekord-kwantumteleportasie van 143 km uitgevoer. Oostenrykse wetenskaplikes van die Oostenrykse Akademie vir Wetenskappe en die UniversiteitWene, onder leiding van Anton Zeilinger, het kwantumstate suksesvol oorgedra tussen die twee Kanariese Eilande La Palma en Tenerife. Die eksperiment het twee optiese kommunikasielyne in oop ruimte, kwantum en klassieke, frekwensie ongekorreleerde polarisasie verstrengelde paar bronfotone, ultra-lae geraas enkelfoton detektors en gekoppelde kloksinchronisasie gebruik.
- In 2015 het navorsers van die Amerikaanse Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie vir die eerste keer inligting oor 'n afstand van meer as 100 km via optiese vesel versend. Dit het moontlik geword danksy enkelfotonverklikkers wat by die instituut geskep is, met behulp van supergeleidende nanodrade gemaak van molibdeensilicide.
Dit is duidelik dat die ideale kwantumstelsel of tegnologie nog nie bestaan nie en die groot ontdekkings van die toekoms lê nog voor. Nietemin kan 'n mens probeer om moontlike kandidate in spesifieke toepassings van teleportasie te identifiseer. Geskikte verbastering hiervan, gegewe 'n versoenbare raamwerk en metodes, kan die mees belowende toekoms vir kwantumteleportasie en sy toepassings verskaf.
Kort afstande
Teleportasie oor kort afstande (tot 1 m) as 'n kwantumrekenaarsubstelsel is belowend vir halfgeleiertoestelle, waarvan die beste die QED-skema is. In die besonder kan supergeleidende transmon qubits deterministiese en hoë-presisie on-chip teleportasie waarborg. Hulle laat ook intydse direkte voer toe, watlyk problematies op fotoniese skyfies. Daarbenewens bied hulle 'n meer skaalbare argitektuur en beter integrasie van bestaande tegnologieë in vergelyking met vorige benaderings soos vasgevang ione. Op die oomblik is die enigste nadeel van hierdie stelsels blykbaar hul beperkte koherensietyd (<100 µs). Hierdie probleem kan opgelos word deur die QED-kring te integreer met halfgeleier-spin-ensemble geheueselle (met stikstof-gesubstitueerde vakante plekke of seldsame-aarde-gedoteerde kristalle), wat 'n lang samehangstyd vir kwantumdataberging kan verskaf. Hierdie implementering is tans die onderwerp van baie moeite van die wetenskaplike gemeenskap.
Stadskommunikasie
Teleportasiekommunikasie op 'n stadskaal ('n paar kilometer) kan met behulp van optiese modusse ontwikkel word. Met voldoende lae verliese bied hierdie stelsels hoë snelhede en bandwydte. Hulle kan uitgebrei word van rekenaarimplementerings na mediumreeksstelsels wat oor die lug of vesel werk, met moontlike integrasie met ensemble-kwantumgeheue. Langer afstande maar laer spoed kan bereik word met 'n hibriede benadering of deur goeie herhalers te ontwikkel wat gebaseer is op nie-Gaussiese prosesse.
Langafstandkommunikasie
Langafstand-kwantumteleportasie (meer as 100 km) is 'n aktiewe gebied, maar ly steeds aan 'n oop probleem. Polarisasie qubits -die beste draers vir laespoed-teleportasie oor lang veselskakels en oor die lug, maar die protokol is tans waarskynlik as gevolg van onvolledige Bell-opsporing.
Terwyl waarskynlike teleportasie en verstrengeling aanvaarbaar is vir probleme soos verstrengelingsdistillasie en kwantumkriptografie, verskil dit duidelik van kommunikasie, waarin die insette heeltemal bewaar moet word.
As ons hierdie probabilistiese aard aanvaar, dan is satellietimplementerings binne die bereik van moderne tegnologie. Benewens die integrasie van opsporingsmetodes, is die hoofprobleem hoë verliese wat deur straalverspreiding veroorsaak word. Dit kan oorkom word in 'n opset waar verstrengeling van die satelliet na groot diafragma grondgebaseerde teleskope versprei word. As 'n satellietopening van 20 cm op 600 km hoogte en 'n teleskoopopening van 1 m op die grond aanvaar word, kan ongeveer 75 dB afskakelverlies verwag word, wat minder is as die 80 dB verlies op grondvlak. Grond-tot-satelliet- of satelliet-tot-satelliet-implementerings is meer kompleks.
Kwantumgeheue
Die toekomstige gebruik van teleportasie as deel van 'n skaalbare netwerk hang direk af van die integrasie daarvan met kwantumgeheue. Laasgenoemde behoort 'n uitstekende straling-tot-materie-koppelvlak te hê in terme van omskakelingsdoeltreffendheid, opname- en leesakkuraatheid, bergingstyd en bandwydte, hoë spoed en bergingskapasiteit. EerstensOp sy beurt sal dit die gebruik van relais toelaat om kommunikasie veel verder as direkte transmissie uit te brei deur foutkorreksiekodes te gebruik. Die ontwikkeling van 'n goeie kwantumgeheue sal nie net toelaat om verstrengeling oor die netwerk en teleportasiekommunikasie te versprei nie, maar ook om die gestoorde inligting op 'n samehangende wyse te verwerk. Uiteindelik kan dit die netwerk verander in 'n wêreldwyd verspreide kwantumrekenaar of die basis vir 'n toekomstige kwantuminternet.
Belowende ontwikkelings
Atomiese ensembles is tradisioneel as aantreklik beskou as gevolg van hul doeltreffende lig-tot-materie-omskakeling en hul millisekonde-leeftyd, wat so hoog kan wees as die 100 ms wat nodig is om lig op 'n wêreldskaal uit te stuur. Meer belowende ontwikkelings word egter vandag verwag gebaseer op halfgeleierstelsels, waar uitstekende spin-ensemble-kwantumgeheue direk geïntegreer is met die skaalbare QED-kringargitektuur. Hierdie geheue kan nie net die koherensietyd van die QED-kring verleng nie, maar bied ook 'n optiese-mikrogolf-koppelvlak vir die interomskakeling van optiese-telekommunikasie- en skyfiemikrogolffotone.
Dus, die toekomstige ontdekkings van wetenskaplikes op die gebied van kwantum-internet sal waarskynlik gebaseer wees op langafstand optiese kommunikasie tesame met halfgeleier nodusse om kwantum inligting te verwerk.
