Quantum teleportation: mesta uppgötvun eðlisfræðinga

Quantum teleportation er einn af mikilvægustu bókunum í skammtafræði upplýsingar. Byggt á líkamlegum úrræðum rugl, er það helsta þáttur í ýmsum verkefnum upplýsinga- og er mikilvægur hluti af skammtafræði tækni leika lykilhlutverk í frekari þróun skammtafræði computing, net og fjarskipti.

Frá vísindaskáldsögu við vísindalegar uppgötvanir

Það hefur verið meira en tvo áratugi frá uppgötvun skammtafræði teleportation, sem er sennilega einn af the áhugaverður og spennandi afleiðingar "óvenjulega" af skammtafræði. Áður þær voru gerðar mikill uppgötvanir, þessi hugmynd átti að ríki vísindaskáldsögu. Fyrst fundin árið 1931 af Charles H. Fort hugtakið "teleportation" hefur síðan verið notað til að lýsa því ferli sem líkaminn og hlutir eru flutt frá einum stað til annars, það er í raun ekki sigrast á fjarlægð milli þeirra.

Árið 1993 gaf hann út grein sem lýsir siðareglur skammtafræði upplýsingar, sem kallast "Quantum teleportation", sem hluti sumir af the einkenni sem talin eru upp hér að framan. Það er vitað ástand líkamlegum kerfi er mæld og síðan afrita, eða "með tilvísun til-fara" í ytra svæði (líkamlega þætti af upprunalegu kerfi áfram í stað flytja). Þetta ferli krefst sígildan samskiptaleiðir og útrýma Superluminal samskipti. Það krefst líf rugl. Í raun teleportation hægt að skoða sem siðareglur skammtafræði upplýsingar sem flestir greinilega sýnir eðli rugl: án nærveru stöðu yfirfærslu væri ekki hægt innan ramma laga sem lýsa skammtafræði.

Teleportation hefur tekið virkan þátt í þróun vísinda upplýsinga. Annars vegar er þetta huglæg siðareglur, sem gegnir mikilvægu hlutverki í þróun formlegs skammtafræði upplýsingar kenning, og hins vegar að það er grundvallaratriði hluti af mörgum tækni. Skammtafræði hríðskotabyssa - lykilatriði lengri fjarlægð samskipti. Teleportation quantum rofa, Reikniverkefnum byggt á mælingum og skammtadeplum neti - eru allar afleiðum af henni. Það er notað sem einfalt tæki til að rannsaka "öfgafullt" eðlisfræði, um tímabundna línur og uppgufun svarthola.

Í dag skammtafræði teleportation staðfest í rannsóknarstofum um allan heim með ýmsum undirlag og tækni, þar á meðal photonic qubits, kjamarófsmælingar, sjón stillingar, hópa atóma, föst atóma og hálfleiðara kerfi. Framúrskarandi árangur hefur náðst í teleportation bilinu næstu tilraunir með gervihnöttum. Þar að auki, tilraunir voru gerðar til að hækka til flóknari kerfi.

teleportation af qubits

Quantum teleportation var fyrst lýst fyrir tveggja-stigi kerfi, svokallaða qubits. Bókun íhuga tvær ytri aðila sem kallaðir Alice og Bob, sem deilir qubit 2, A og B eru í hreinu entangled ríki, einnig kallað Bell par. Við innganginn að Lísa gefið annað qubit og lét ástand ρ er óþekkt. Það sinnir þá sameiginlega skammtafræði mælingu, sem heitir uppgötvun Bell. Það ber eitt og í einu af fjórum Bell ríkjum. Þess vegna, the inntak ástand qubit þegar mælt Alice hverfur og Bob B qubit samtímis varpað á P ^† _K ρP _k. Í síðustu skrefi siðareglur Alice sendir klassískur niðurstöðu mælinga hennar Bob, sem beitir Pauli P _k rekstraraðila til að endurheimta upprunalegu ρ.

Upphafleg ástand á qubit Alice er talið nafnlaus, því annars siðareglur er niður í ytra mati hennar. Að auki getur það sjálft að vera hluti af stærri samsett kerfi, deilt með þriðja aðila (í þessu tilfelli tekst teleportation allt krefst spilun fylgni við þessa þriðja aðila).

Dæmigerð tilraun skammtafræði teleportation tekur hreint upprunalegt ástand og tilheyra takmörkuðu stafrófið, til dæmis, sex skautunum í Bloch kúlu. Í viðurvist Decoherence gæðum endurbyggja ástand hægt að gefa upp magnbundið nákvæmar teleportation F ∈ [0, 1]. Þessi nákvæmni milli ríkja Alice og Bob, að meðaltali yfir öllum uppgötvun niðurstöður Bell og upprunalega stafrófinu. Fyrir lítil gildum nákvæmni aðferða til, þannig að ófullkomin teleportation án flókinn auðlind. Til dæmis, Alice kann beint mæla upprunalegt horf með því að senda Bob fyrir undirbúning hlýst ríkisins. Þessi mæling-þjálfun stefnu sem vísað er til sem "klassíska teleportation." Það hefur að hámarki nákvæmni F _class = 2/3 fyrir hvaða inntak ástand, sem nemur stafrófsröð gagnkvæmt óhlutdræg skilyrði, svo sem Bloch sviði sex Pólverjar.

Þannig er skýr vísbending um að nota skammtafræði auðlinda er nákvæmni gildi F> F _bekknum.

Ekki einn qubit

Samkvæmt skammtafræði eðlisfræði, teleportation af qubits er ekki takmörkuð, getur það tengt multi-víddar kerfi. Fyrir hverja endanlegri measure D getur verið mótuð fullkomna fyrirætlun teleportation með því að nota grundvelli leggöngum í allt að entangled ástand í ákveðnar stefnur sem er hægt að fá úr tilteknu hámarks entangled ríki og lagður grundvöllur {U _k} unitary rekstraraðila sem uppfylla ^{_{TR (U † J U k)}} = dδ J, K . Slík samskiptamáti getur verið smíðuð fyrir hvaða endanlegt Hilbert pláss r. N. stakur breytileg kerfi.

Ennfremur, skammtafræði teleportation geta sótt um að kerfi með óendanlega Hilbert rými, sem kallast stöðugt-breytileg kerfi. Sem reglu, eru þeir að veruleika með sjón bóseind ham, rafsvið sem hægt er að lýsa quadrature rekstraraðila.

Hraða og óvissu meginreglu

Hver er hraði skammtafræði teleportation? Upplýsingar eru sendar á hraða svipað hraða sendingu sama fjölda klassískt - hugsanlega með hraða ljóssins. Fræðilega, það er því hægt að nota, hvernig klassíska getur ekki - til dæmis, í skammtafræði computing, þar sem gögnin eru í boði aðeins til viðtakanda.

Er skammtafræði teleportation brjóta þá óvissu meginreglu? Í the fortíð, hugmyndin um teleportation er í raun ekki tekin alvarlega af fræðimönnum, vegna þess að það var talið að það brýtur í bága við meginregluna um bann við mæli- eða skönnun aðferð til að vinna úr öllum upplýsingum atóm eða öðrum hlut. Í samræmi við meginregluna um óvissu nákvæmari hlut er skönnuð, því meira sem það er undir áhrifum frá skönnun aðferð til að benda er náð þegar upprunalega ástand hlutarins trufla að því leyti að meira er ekki hægt að fæst nægar upplýsingar til að búa til eftirmynd. Það hljómar sannfærandi: ef maður getur ekki þykkni upplýsingar frá hlutnum til að búa til fullkomið afrit, hið síðarnefnda er ekki hægt að gera.

Quantum teleportation fyrir imba

En sex vísindamenn (Charles Bennett, zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres og Uilyam Vuters) fundið leið í kringum þessa rökfræði, með því að nota haldin og óvæntur lögun af skammtafræði þekktur sem Einstein-Podolsky-Rosen. Þeir fundu leið til að skanna þær upplýsingar teleported hlut A, og eftir untested hluta gegnum áhrif yfirfærslu annarra hluta í snertingu við aldrei fara.

Í kjölfarið, með því að beita C útsetningar framfæri skönnuð upplýsingar er hægt að færa inn í ríkið A til að skanna. Og sjálfur er ekki í sama ástandi sem snúið skönnun aðferð, þannig náð er teleportation, ekki afritunar.

Baráttan fyrir svið

• Fyrsti skammtafræði teleportation átti sér stað árið 1997 nánast samtímis af vísindamönnum frá Háskólanum í Innsbruck og University of Rome. Meðan á tilrauninni photon fengið hafa skautun, og einn af a par af entangled ljóseindir verið breytt þannig að annað upprunalega pólun photon borist. Þannig bæði ljóseindir eru aðgreind frá hvert öðru.
• Árið 2012, the venjulegur skammtafræði teleportation (China University of Science and Technology) í gegnum Alpine vatninu í fjarlægð 97 km. Hópur vísindamanna frá Shanghai forystu Juan Iinem tekist að þróa tvírætt kerfi sem gerði einmitt markvissa geisla.
• Í september, met skammtafræði teleportation á 143 km fór fram sama ár. Austurrískir vísindamenn frá Academy of Sciences í Austurríki og við Háskólann í Vín undir stjórn Antona Tsaylingera hefur tekist send skammtafræði ríki milli Kanaríeyjum La Palma og Tenerife. Tilraunin notaði tvær sjón samskipti línur í opnum, kvantumnaya og klassíska, tíðni uncorrelated pólun flækja par ljóseindir heimildum, sverhnizkoshumnye einn Ijóseindanemum og kúplingu klukka samstillingu.
• Árið 2015, vísindamenn frá Bandaríkjunum National Institute of Standards og tækni í fyrsta skipti gert flutning upplýsinga yfir fjarlægð meira en 100 km af ljósleiðara. Þetta var gert mögulegt að þakka Institute búin photon skynjari með ofurleiðari Nanowires af mólýbden silicide.

Það er ljóst að hugsjón um skammtafræði kerfi eða tækni er ekki enn til og mikill uppgötvanir í framtíðinni er enn að koma. Engu að síður, við getum reynt að bera kennsl á möguleg frambjóðendur fyrir ákveðin forrit teleportation. Hentar kynblöndun þá veitt í samræmi grunn og aðferðir geta veitt vænlegustu framtíð fyrir skammtafræði teleportation og notkun hennar.

stuttar vegalengdir

Teleportation örskammt (1 m) og skammtafræði útreikningur undirkerfi efnilegum hálfleiðurum tæki, bestu sem er skýringarmynd af QED. Einkum ofurleiðari qubits transmonovye getur tryggt deterministic og mjög nákvæmur teleportation flís. Þeir einnig leyfa bein flæði rauntíma, sem virðist erfið á photonic flögum. Auk þess veita þeir meiri stigstærð arkitektúr og betri samþættingu núverandi tækni í samanburði við fyrri aðferðir, svo sem föst jónum. Eins og er, eini galli þessara kerfa er greinilega takmarkaður samfellu þeirra tími (<100 ms). Þetta vandamál er hægt að leysa með því að nota QED sameining með hálfleiðara rafrásum snúast Ensemble minnishólfin (köfnunarefni-setinn með laus störf eða kristal íbætt með lantaníöumi), sem getur veitt í langan samfellu tíma fyrir skammtafræði af gagna geymslu. Eins, þessa framkvæmd er spurning fyrir meiri viðleitni vísindasamfélagsins.

City tengilinn

Okkur teleport til borgarinnar skala (nokkra kílómetra) gæti verið þróað með sjón ham. Á nægilega lágt tap, veita þessi kerfi miklum hraða og bandbreidd. Þeir geta verið framlengdur frá skrifborð útfærslur til miðlungs-svið kerfi sem starfa á lofti eða ljósleiðara, með hugsanlega sameiningu með Ensemble skammtafræði minni. Um langan veg, en með minni hraða er hægt að ná með því að blendingur nálgun eða með því að þróa góða endurvarpa byggð á non-Gauss ferli.

fjarskipti

Long-fjarlægð skammtafræði teleportation (yfir 100 km) er virkur svæði, en samt þjáist af opnu vandamál. Skautun qubits - bestu flytjenda fyrir lágmark-hraði teleport á löngum ljósleiðara línur af samskiptum og í gegnum loftið, en á því augnabliki sem siðareglur er probabilistic vegna ófullnægjandi uppgötvun Bella.

Þótt probabilistic teleportation og flækju henta fyrir umsókn svo sem eins og eimingu flækju og skammtafræði dulmál, en það er greinilega frábrugðin samskiptum þar sem inntak upplýsingar verður að fullu varðveitt.

Ef við tökum þetta probabilistic eðli, framkvæmd gervihnött eru innan seilingar nútíma tækni. Í viðbót við samþættingu rakningaraðferðirnar, helstu vandamál eru mikil tap af völdum útbreiðslu geisla. Þetta er hægt að sigrast á stöðu þar flækju er dreift frá gervitungl til jarðneskur sjónauka með stórum op. Að því gefnu gervitungl ljósop 20 cm á 600 km hæð og 1 m op sjónauka á jörðu, má gera ráð fyrir um 75 dB tap í downlink rás sem er minna en 80 dB tap á jarðhæð. Framkvæmd "jörð gervihnött" eða "félagi gervihnött" eru flóknari.

skammtafræði minni

Framtíð notkun teleportation sem hluti af stigstærð net er í beinu samhengi við samþættingu hennar við skammtafræði minni. Hið síðarnefnda verður að hafa frábær í skilmálar af skilvirkni viðskipta tengi "geislun-málinu", með nákvæmni upp á upptöku og lestur, tíma og geymslurými, hár hraði og geymslurými. Fyrst af öllu það er hægt að nota endurvarpa til að auka samskipti langt umfram beina flytja með því að nota villuleiðréttingu númer. Þróun góða skammtafræði minni myndi leyfa ekki einungis að dreifa flækju og teleportation net samskipta, heldur einnig tengdur við vinna geymdar upplýsingar. Á endanum, þetta gæti orðið að neti alþjóðlega dreift skammtafræði tölva eða grundvöll fyrir framtíð skammtafræði Internetið.

efnilegur þróun

Nuclear kammerhópa jafnan talin aðlaðandi vegna skilvirkari breytingu þeirra á "létt-málið" og millisekúndu tímabil þeirra geymslu, sem getur verið allt að 100 ms þarf til að senda ljós á heimsvísu. Hins vegar eru fleiri háþróaður þróun nú gert ráð fyrir á grundvelli hálfleiðurum kerfi, þar framúrskarandi snúningur Ensemble skammtafræði minni beint felldar með stigstærð arkitektúr hringrás QED. Þetta minni getur ekki aðeins lengja samfellu tíma hringrás QED, heldur einnig til að veita sjón-örbylgjuofn tengi fyrir víxlun á sjón fjarskipta og flís örbylgjuofn ljóseindir.

Þannig framtíð uppgötvanir vísindamanna á sviði skammtafræði internetinu eru líklegri til að vera byggt á lengri fjarlægð sjón samskipti, samtengdum hálfleiðandi einingar fyrir skammtafræði vinnslu upplýsinga.