Квантовата телепортация: великите открития на физиците

Квантовата телепортация е един от най-важните протоколи в квантовата информация. Въз основа на физическия ресурс на заплитане, той служи като основен елемент от различни информационни задачи и е важна част от квантовите технологии, играейки ключова роля в по-нататъшното развитие на квантовото изчисление, изграждането на мрежи и комуникацията.

От научната фантастика до откриването на учените

Това е повече от две десетилетия от откриването на квантовата телепортация, която може би е една от най-интересните и вълнуващи последици от "странността" на квантовата механика. Преди да бъдат направени тези големи открития, тази идея принадлежи към областта на научната фантастика. Първоначално изобретен през 1931 г. от Чарлз Х. Форт, терминът "телепортация" оттогава е използван за позоваване на процеса, чрез който телата и обектите се прехвърлят от едно място на друго, всъщност без да се преодолява разстоянието между тях.

През 1993 г. е публикувана статия, описваща протокола за квантовата информация, наречен "квантова телепортация", който споделя няколко от горните характеристики. В него се измерва неизвестното състояние на физическа система и впоследствие се възпроизвежда или "се сглобява" на отдалечено място (физическите елементи на оригиналната система остават на мястото на предаване). Този процес изисква класически средства за комуникация и изключва свръх-светлинната комуникация. Тя изисква ресурс на заплитане. Всъщност, телепортацията може да се разглежда като протокол за квантовата информация, който най-ясно показва естеството на заплитането: без присъствието си такова състояние на предаване не би било възможно в рамките на законите, които описват квантовата механика.

Телепортацията играе активна роля в развитието на науката за информация. От една страна, това е концептуален протокол, който играе решаваща роля в разработването на формален квант теория на информацията, а от друга - основен компонент на много технологии. Квантовият ретранслатор е ключов елемент на комуникация на дълги разстояния. Телепортацията на квантовите превключватели, изчисленията въз основа на измервания и квантовите мрежи - всички са нейните производни. Той се използва и като прост инструмент за изучаване на "екстремна" физика, свързана с кривите на времето и изпарението черни дупки.

Днес квантовата телепортация потвърдено в лаборатории по целия свят с помощта на различни субстрати и технологии, включително фотонни qubits, ядрено-магнитен резонанс, оптични режими, групи от атоми, уловеното атоми и полупроводникови системи. Изключителни са постигнати резултати в телепортиране обсег следващите експерименти с сателити. Освен това опитите започнаха да се мащабират до по-сложни системи.

Телепортация на qubits

Квантовата телепортация първоначално е описана за двустепенни системи, т.нар qubits. Протоколът третира две отдалечени партии, наречени Алис и Боб, които споделят 2 qubits, A и B, в чисто заплетено състояние, наричано още двойка Bell. На входа на Алис е дадено друго чудовище, чието състояние rho- е неизвестна. След това извършва съвместно квантово измерване, наречено откриването на Бел. Предава A и A на едно от четирите държави на Bell. В резултат състоянието на входната qubit на Alice по време на измерването изчезва и кубата на Bob B се прожектира едновременно върху P^dagger-_кRho-P_к. На последния етап от протокола Алис предава класическия резултат от измерването си на Боб, който използва оператора Паули Р_к за възстановяване на оригинала Rho.

Първоначалното състояние на квадрата на Alice се счита за неизвестно, тъй като в противен случай протоколът се свежда до отдалеченото му измерване. В допълнение, самата тя може да бъде част от по-голяма комбинирана система, споделена с трета страна (в който случай успешната телепортация изисква възпроизвеждане на всички взаимоотношения с тази трета страна).

Типичен експеримент за квантовата телепортация приема първоначалното състояние като чисто и принадлежащо към ограничена азбука, например шест полюса на сферата на Блок. При наличие на декохерентност, качеството на реконструираното състояние може да се изразява количествено от точността на телепортацията F isin- [0,1]. Това е точността между състоянията на Алис и Боб, осреднени за всички резултати от откриването на Бел и оригиналната азбука. За малки стойности на точност, съществуват методи, които ви позволяват да извършвате несъвършена телепортация, без да използвате сложен ресурс. Например, Алис може директно да измери първоначалното си състояние, като изпрати резултатите до Боб, за да подготви резултантното състояние. Тази стратегия за измерване-подготовка се нарича "класическа телепортация". То има максималната точност F_клас = 2/3 за произволно входно състояние, което е еквивалентно на азбуката на взаимно безпристрастни състояния, като например шестте полюса на сферата на Bloch.

По този начин ясна индикация за използването на квантовите ресурси е стойността на точността F> F_клас.

Не е една четворна единица

Като квантова физика, телепортацията не се ограничава само до qubits, тя може да включва многоизмерни системи. За всяко крайно измерване d можем да формулираме идеална схема за телепортация, използвайки базата на най-заплетените държавни вектори, които могат да бъдат получени от даденото максимално объркано състояние и основата {U_к} на единични оператори, отговарящи на tr (U^dagger-_к U_к) = ddelta-_{j, k}. Такъв протокол може да бъде конструиран за всяко крайно измерено пространство Хилберт на така наречените. дискретно-променливи системи.

В допълнение, квантовата телепортация може да се разпростре и върху системи с безкраен размер Hilbert пространство, наречени непрекъснато променливи системи. Като правило, те се реализират чрез оптични бозонични режими, чието електрическо поле може да се опише чрез квадратурни оператори.

Скорост и принцип на несигурност

Каква е скоростта на квантовата телепортация? Информацията се предава със скорост, подобна на скоростта на предаване със същото количество класически - вероятно с скоростта на светлината. Теоретично тя може да се използва по начин, който класическият не може - например в квантовото изчисление, където данните са достъпни само за получателя.

Има ли нарушение на квантовата телепортация принцип на несигурност? В миналото, на идеята за телепортация не е наистина възприема сериозно от учени, защото се е смятало, че то нарушава принципа на забрана на всякакъв измервателен или сканиране процес да получават цялата информация атом или друг обект. В съответствие с принципа на неопределеността, толкова по-точен обекта е сканиран, толкова повече тя се влияе от процеса на сканиране, докато се достигне момент, когато на първоначалното състояние на обекта нарушен до такава степен, че повече не може да се получи достатъчно информация, за да се създаде реплика. Това звучи убедително: ако човек не може да се извлече информация от обекта да се създаде перфектни копия, той не може да се направи.

Квантова телепортация за манекени

Но шест учени (Чарлз Бенет, Жил лента на ръкав, Клод Crépeau, Ричард Jos, Asher Перес и Уилям Уотърс) намери начин да заобиколят тази логика, с помощта на известния и парадоксално особеност на квантовата механика, известен като Айнщайн-Подолски-Росен. Те намерили начин да сканирате информация телепортирани обект А, а останалите неизпитана част чрез ефекта на пренос на други предмети в контакт с А никога не спазва.

В бъдеще, чрез прилагане на въздействие върху C в зависимост от сканираната информация, можете да въведете C в състояние А преди сканиране. Самата тя вече не е в това състояние, защото е напълно променена от процеса на сканиране, така че резултатът е телепортация, а не репликация.

Борба за обхват

• Първата квантова телепортация е извършена през 1997 г. почти едновременно от учените от Университета в Инсбрук и Римския университет. По време на експеримента първоначалният фотон, който има поляризация и един от двойка заплетени фотони, претърпява промяна по такъв начин, че вторият фотон получава поляризацията на оригиналния фотон. В същото време и двата фотона бяха на разстояние един от друг.
• През 2012 г. друга квантова телепортация (Китай, Университет за наука и технологии) се проведе през езеро с висока надморска височина на разстояние 97 км. Екип от учени от Шанхай, ръководен от Хуан Ин, успя да разработи предполагаем механизъм, който да позволи точното насочване на лъча.
• През септември, което е рекорд квантовото телепортиране на 143 km се извършва на същата година. Австрийските учени от Академията на науките на Австрия и Виенския университет под ръководството на Антон Zeilinger успешно предават квантови състояния между двете Канарските острови на Ла Палма и Тенерифе. Експериментът се използват два оптични комуникационни линии на открито, kvantumnaya и класически, честота несвързани помежду поляризация заплетени двойка фотони източници, sverhnizkoshumnye еднофотонна детектори и съединител тактова синхронизация.
• През 2015 г. изследователи от Американския национален институт по стандартизация и технологии за първи път предадоха информация на разстояние повече от 100 км от влакното. Това стана възможно с помощта на единични фотонни детектори, създадени в института, като се използват свръхпроводящи нанополи от молибденов силицид.

Ясно е, че все още не съществува идеална квантова система или технология и големите открития на бъдещето предстои. Независимо от това, може да се опитаме да идентифицираме възможни кандидати в конкретни приложения за телепортиране. Подходящата хибридизация, осигуряваща съвместима база и методи, може да осигури най-обещаващото бъдеще за квантовата телепортация и нейните приложения.

Къси разстояния

Телепортацията за кратки разстояния (до 1 м) като подсистема за квантово изчисляване е обещаваща за полупроводникови устройства, най-доброто от които е схемата QED. По-специално, свръхпроводящите трансмонгови qubits могат да гарантират детерминирана и прецизна телепортация на чип. Те също така позволяват директно подаване в реално време, което изглежда проблематично по отношение на фотонните чипове. Освен това те осигуряват по-мащабируема архитектура и по-добра интеграция на съществуващите технологии в сравнение с предишните подходи, като задържаните йони. Понастоящем единственият недостатък на тези системи изглежда е тяхното ограничено време на съгласуваност (<100 μs). Този проблем може да бъде решен чрез използване на интеграция QED с полупроводникови схеми въртят ансамбъл памет клетки (азот-заместен с места или кристал, легирани с редкоземни елементи), които могат да осигурят дълго време последователност за Спектър на съхранение на данни. В момента тази реализация е обект на много усилия от страна на научната общност.

Градска комуникация

Телепортната комуникация в градски мащаб (няколко километра) може да се развие с помощта на оптични режими. При достатъчно ниски загуби тези системи осигуряват висока скорост и широчина на честотната лента. Те могат да бъдат разширени от настолни внедрявания до системи със среден обхват, работещи чрез етер или влакна, с възможна интеграция с квантова памет на ансамбъла. По-дългите разстояния, но при по-ниски скорости, могат да бъдат постигнати чрез използване на хибриден подход или чрез разработване на добри възпроизводители въз основа на не-Гаусовски процеси.

Комуникация на дълги разстояния

Далечни разстояния квантовото телепортиране (над 100 км) е активна област, но все още страда от открит проблем. Поляризация qubits - най-добрите носители на ниска скорост за телепортиране на дълги оптични линии за комуникация и във въздуха, но в момента протоколът е вероятностна поради непълна откриване Bella.

Въпреки вероятностен телепортация и заплитане са подходящи за приложения като дестилация на заплитане и квантова криптография, но е ясно, различен от съобщението в която вход информация трябва да бъде напълно запазена.

Ако вземем този вероятност, сателитните реализации са в обсега на съвременните технологии. В допълнение към интегрирането на методите за проследяване, основният проблем е високите загуби, причинени от разпространението на гредата. Това могат да бъдат преодолени в конфигурация, където заплитане се разпространява от спътника към наземна телескопа с голям отвор. Ако приемем, сателитна бленда на 20 см във височина 600 км и 1 m бленда телескоп на земята, може да се очаква около 75 db на загуба в канал за връзка към земя, която е по-малко от 80 db загуба на нивото на земята. Реализациите на "земя сателит" или "спътник-спътник" са по-сложни.

Квантова памет

Бъдещото използване на телепортацията като неразделна част от мащабируемата мрежа зависи пряко от интеграцията й с квантова памет. Последният трябва да има отличен интерфейс на радиационната материя по отношение на ефективността на преобразуване, точност на записване и четене, време за съхранение и широчина на честотната лента, висока скорост и капацитет за съхранение. На първо място, това ще позволи използването на ретранслатори за разширяване на комуникацията далеч отвъд директното предаване, използвайки кодове за коригиране на грешки. Разработването на добра квантова памет би позволило не само да се разпространява комуникацията в мрежата и телепортацията, но и да се обработва съхранената информация последователно. В крайна сметка това може да превърне мрежата в световна квантов компютър или основа за бъдещето на квантовия интернет.

Развитие на перспективите

Ядрени ансамбли традиционно се смята атрактивни, защото на тяхната ефективна реализация на "светло въпроса" и техните милисекунда периоди на съхранение, които може да бъде до 100 милисекунди, необходими за предаване на светлината в целия свят. Въпреки това, по-съвременни разработки сега се очаква на базата на полупроводникови системи, където отлично завъртане ансамбъл квантова памет, интегрирани директно с мащабируема архитектура на верига QED. Тази памет може не само да удължи времето съгласуваност верига QED, но също така да се осигури оптично-микровълнова интерфейс за взаимното превръщане на оптични телекомуникационни и чип микровълнови фотони.

По този начин бъдещите открития на учените в областта на квантовия интернет вероятно ще се основават на оптично свързване на дълги разстояния, съчетано с полупроводникови възли за обработка на квантова информация.