Kuantum ışınlanma: fizikçilerin büyük keşifler

Kuantum ışınlanma kuantum bilgi en önemli protokollerden biridir. karışıklık fiziksel kaynaklar dayanarak, çeşitli bilgi görevlerin ana unsurudur ve kuantum bilgisayar, ağ ve iletişim daha da geliştirilmesi önemli bir rol oynayan kuantum teknolojileri önemli bir bölümünü temsil eder.

bilimsel keşiflere bilim kurgu itibaren

Muhtemelen kuantum mekaniğinin "yabancılığı" en ilginç ve heyecan verici sonuçlarından biridir kuantum ışınlanma keşfinden beri iki yılda olmuştur. Bu büyük keşifler yapılmıştır önce bu fikri bilim kurgu dünyasına aitti. İlk Charles H. Fort dönem "ışınlanma" tarafından 1931 yılında icat beri vücut ve nesneleri bir yerden bir yere transfer edildiği süreci tanımlamak için kullanılmıştır, gerçekten aralarındaki mesafeyi aşmak mümkün değildir.

1993 yılında yukarıda listelenen belirtilerden bazılarını paylaştı "kuantum ışınlanma" denilen kuantum bilgisinin protokolünü açıklayan bir yazı yayınlar. Bu fiziksel bir sistemin bilinmeyen durum ölçülür ve daha sonra yeniden veya uzaktan sitedeki "yeniden gittigini" (orijinal sistemin fiziksel unsurlar yer aktarımında kalır). Bu süreç iletişimin klasik araçlar gerektirmektedir ve süperlüminal iletişimi ortadan kaldırır. Bu karışıklık bir hayat gerektirir. Aslında, ışınlanma en net karışıklık doğasını gösteren kuantum bilginin bir protokol olarak görülebilir: transferinin bir devlet varlığı kuantum mekaniği açıklayan kanunlar çerçevesinde mümkün olmazdı olmadan.

Teleportation bilginin bilimin gelişiminde etkin bir rol oynamıştır. Bir yandan, bu resmi bir kuantum gelişiminde önemli bir rol oynayan bir kavramsal protokoldür, bilgi teorisi, diğer yandan birçok teknolojilerin temel bir bileşenidir. Kuantum tekrarlayıcı - uzun mesafeli iletişim önemli bir unsur. Işınlama kuantum anahtarları, ölçümler ve kuantum ağına göre hesaplama - bunların türevleridir. Geçici eğrileri ve buharlaştırma ile fizik "aşırı", çalışma için bir işaret olarak kullanılan siyah deliklerin.

fotonik qubits, nükleer manyetik rezonans, optik modları atom grubundan, tutulan atomu ve yarı iletken sistemleri de dahil olmak üzere alt tabakaların ve teknolojiler kullanarak çeşitli tüm dünyada laboratuarlarında teyit Bugün kuantum ışınlanma. Üstün sonuçlar uydularla ışınlama aralığı önümüzdeki deneylerinde elde edilmiştir. Ayrıca, denemeler daha karmaşık sistemlerin kadar ölçek için yapılmıştır.

qubits arasında ışınlanma

Kuantum ışınlama ilk iki seviyeli sistemler olarak adlandırılan qubits için tarif edilmiştir. qubit 2 paylaşan Alice ve Bob olarak adlandırılan iki uzaktan partiler, düşünen Protokol, A ve B saf karışmış durumdadır, ayrıca Bell çifti denir. Alice girişinde kimin koşul ρ bilinmeyen başka qubit ve verilen. Daha sonra, ortak bir kuantum ölçmektedir Bell keşfini denir. Dört Bell durumdan birinde bir ve A taşır. Bunun bir sonucu olarak, Alice ölçülen QuBit giriş durumu ortadan kalkar ve Bob B aynı anda ^† _k ρP _k P yansıtılan _QuBit. Son adım protokolünde Alice orijinal p geri Pauli P _k operatörü uygular onun ölçümü Bob bir klasik sonucunu iletir.

Aksi Protokol, uzaktan ölçüm azaltılmış olduğu için bir QuBit Alice ilk durumu, anonim olarak kabul edilir. Buna ek olarak, kendisi bir üçüncü şahıs ile paylaşılır daha büyük kompozit sistemin parçası olabilir (bu durumda başarılı ışınlanma tüm bu üçüncü parti ile çalma korelasyon gerektirir).

Kuantum teletaşınması tipik bir denemede örneğin, kısıtlı bir alfabeye Bloch kürenin altı direkleri saf orijinal durumuna ve ait sürer. yeniden devlet eşevresizlik kalitesi varlığında nicel doğru ışınlanma F £ [0, 1] olarak ifade edilebilir. Alice ve Bob eyaletlerinde arasındaki bu doğruluk, Bell ve orijinal alfabenin tüm algılama sonuçlarının üzerinden ortalaması. yöntemlerin doğruluk küçük değerleri için karmaşık kaynak olmadan kusurlu ışınlanma için izin vardır. Örneğin, Alice, doğrudan elde edilen halde hazırlanması için Bob göndererek orijinal durumuna ölçebilir. Bu ölçüm-eğitim stratejisi olarak anılacaktır "klasik ışınlanma." Ancak, F _sınıfı = herhangi bir giriş durumu için 2/3 eşdeğer alfabetik gibi Bloch küre altı kutuplu karşılıklı olarak tarafsız koşullar en fazla doğruluğa sahiptir.

Bu nedenle, kuantum kaynakların kullanımı açık bir göstergesidir hassas bir değeri F> F _{sınıfıdır.}

Tek bir qubit

göre kuantum fizik, qubits bir ışınlama sınırlı değildir, bir çok-boyutsal sistem içerebilir. Her bir sonlu ölçü d temelini maksimum dolaşık durum, belirli bir maksimum dolaşmış durumda elde edilebilir vektörler ve bir temel {U _{k} ^tr} karşılayan düzgün operatörler ^{_{(U † J u k)}} kullanılarak doğru düzeni ışınlanma formüle edilebilir = dδ j, k, . Bu tür bir protokolden sonlu Hilbert alan r. N. yapılabilir kesikli değişken sistemler.

Dahası, kuantum ışınlanma sürekli değişken sistemler olarak adlandırılan sonsuz Hilbert boşluk sistemlerine başvurabilir. Kural olarak, onlar optik bozon modları, dördün operatörleri tarif edilebilir elektrik alanı ile gerçekleştirilir.

Hız ve belirsizlik ilkesi

Kuantum ışınlanma hızı nedir? Bilgi klasik aynı sayıda iletim hızına benzer bir hızda iletilir - muhtemelen ile ışık hızında. Teorik olarak bu şekilde nasıl klasik olamaz, kullanılabilir - örneğin, veriler sadece alıcıya kullanılabilir kuantum bilgi işlem, içinde.

kuantum ışınlama ihlal ediyor mu Belirsizlik Prensibi? o tüm bilgi atomu veya başka bir nesneyi ayıklamak için herhangi bir ölçme veya tarama işlemini yasaklayan ilkesine aykırı olduğunu inanılırdı çünkü Geçmişte, ışınlanma fikrinin gerçekten bilim adamları tarafından ciddiye alınmaz. nesnenin orijinal durumu daha çoğaltmasını oluşturmak için yeterli bilgi elde edilemez bir düzeye kadar rahatsız zaman noktasına ulaşılana kadar belirsizlik ilkesine uygun olarak, daha kesin bir amacı taranır, daha o tarama işlemi ile etkilenmektedir. Bu inandırıcı geliyor: Bir kişinin kusursuz kopyalarını oluşturmak için nesnenin bilgi elde edemiyorsa, ikincisi yapılamaz.

Aptallar için Kuantum Işınlanma

Ama altı bilim adamları (Charles Bennett, zhil Brassar Claude Crépeau Richard Dzhosa, Asher Peres ve Uilyam Vuters) Einstein-Podolsky-Rosen olarak bilinen kuantum mekaniği ünlü ve paradoksal özelliğini kullanarak, bu mantığı etrafında bir yol buldum. Bu bilgi ışınlandı nesne A taramak için bir yöntem ve bir uymak asla temas transfer diğer nesnelerin etkisi ile geri kalan test edilmemiş kısmı bulduk.

Daha sonra, Cı maruz bağlı taranmış bilgi uygulanmasıyla tarama durumuna bir girilebilir. Ve kendisi bu şekilde elde tersine tarama süreci olarak aynı durumda değil ışınlama, değil çoğaltma olduğunu.

aralık mücadelesi

• İlk kuantum ışınlanma Innsbruck Üniversitesi ve Roma Üniversitesi'nden bilim adamları tarafından neredeyse aynı anda 1997 yılında gerçekleşti. Deney sırasında bir foton kaynağı bir polarizasyonu olan ve ikinci orijinal kutuplaşma foton alabilsin diye dolaşık foton çiftinin bir değiştirilmiştir. Bu nedenle, her iki fotonlar birbirinden aralıklıdır.
• 2012 yılında, 97 km'lik bir mesafede dağ gölü içinden düzenli kuantum ışınlanma (Bilim ve Teknoloji Çin Üniversitesi) oldu. Juan Iinem liderliğindeki Shanghai bilim adamı ekibi tam hedeflenen ışın izin imalı bir mekanizma geliştirmeyi başardı.
• Eylül ayında, 143 km üzerinde rekor kuantum ışınlanma Aynı yıl yürütülmüştür. Avusturya Bilimler Akademisi ve Antona Tsaylingera yönetimindeki Viyana Üniversitesi'nden Avusturyalı bilim adamları başarıyla La Palma ve Tenerife iki Kanarya Adaları arasındaki kuantum durumları iletmiştir. Deney, açık kvantumnaya ve fotonlar kaynaklarının klasik frekans ilintisiz polarizasyon karışık çift içindeki her iki optik iletişim hatları kullanılır, tek foton detektörleri ve kavrama saat senkronizasyonu sverhnizkoshumnye.
• 2015 yılında ilk defa ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları optik fiber 100'den fazla km'lik bir mesafe boyunca bilgi aktarımını yaptı. Bu molibden silisitten süperiletken nanotelleri kullanarak enstitü oluşturulan foton dedektörü sayesinde mümkün oldu.

Bir kuantum sistemi veya teknoloji idealdir henüz yok açıktır ve geleceğin büyük keşifler gelecek henüz. Yine de, ışınlanma spesifik uygulamalar için olası adayların tanımlanması için deneyebilirsiniz. Uygun melezleme onları tutarlı bir temel oluşturmuştur ve yöntemler kuantum ışınlanma ve onun uygulamaları için en umut verici bir gelecek sağlayabilir.

kısa mesafeler

Işınlanma QED bir diyagramıdır iyi olan bir kuantum hesaplama alt yarıiletken cihazları gibi kısa bir mesafe (1 m). Özellikle, süper iletken qubits ise transmonovye deterministik ve son derece doğru ışınlanma çip garanti edemez. Onlar da fotonik yongaları üzerinde sorunlu görünüyor gerçek zamanlı, direkt akışı sağlar. Buna ek olarak, daha ölçeklenebilir bir mimari ve bu tuzak iyonları gibi önceki yaklaşımlar ile karşılaştırıldığında, mevcut teknolojilerin daha entegrasyon sağlar. Şu anda, bu sistemlerin tek dezavantajı görünüşte kendi sınırlı tutarlılık süresi (<100 ms). Bu sorun, yarı iletken devreler veri depolama kuantum uzun tutarlılık zaman sağlayabilir grup hafıza hücrelerinin (nadir toprak elemanları ile takviye edilmiş boş ya da kristal azot ikame edilmiş), dönmeye ile QED entegrasyonu kullanarak çözülebilir. Şu anda, bu uygulama bilimsel topluluğun daha fazla çaba meselesidir.

Şehir linki

Bize şehir ölçeği (birkaç kilometre) teleport optik modlarını kullanarak geliştirilebilir. yeteri kadar düşük kayıp anda, bu sistemler yüksek hız ve bant genişliği sağlar. Kuantum bellek bir takımı ile mümkün entegrasyonu ile hava veya optik fiber üzerinde faaliyet gösteren orta menzilli sistemlerine masaüstü uygulamalarından uzatılabilir. Uzun mesafeler boyunca, ancak daha düşük hız ile bir hibrit yaklaşımla veya olmayan Gauss süreçlere dayanarak iyi repeaters geliştirerek elde edilebilir.

telekomünikasyon

Uzun mesafe kuantum ışınlanma (km 100) aktif bir alandır, ama yine de açık bir sorunu da yaşıyor. Polarizasyon qubits - iletişim uzun fiber optik hat üzerine ve hava yoluyla düşük-hızlı TELEPORT iyi taşıyıcılar ancak şu protokol tam olmayan algılama Bella bir olasılık değildir.

olasılıklı ışınlama ve dolanma gibi dolaşması ve kuantum kriptografi damıtma gibi uygulamalar için uygun olan, ama giriş bilgisi tam korunması gereken iletişim açıkça farklıdır, ancak.

Bu olasılık doğasını kabul edersek, uydunun uygulanması, modern teknolojilerin ulaşılabilir. izleme yöntemleri entegrasyonu ek olarak, temel sorun ışınının yayılma neden olduğu yüksek kayıplarıdır. Bu dolaşma, büyük açıklığa sahip karasal teleskop uydudan dağıtılan bir konfigürasyonda aşılabilir. 600 km yükseklik ve yere 1 m diyafram teleskop 20 cm uydu açıklığı varsayılırsa, bir zemin seviyesinde en az 80 dB kaybı bir uydu-yer hattı kanalında kaybının yaklaşık 75 dB beklenebilir. "Toprak uydu" veya "refakatçi uydu" uygulanması daha karmaşıktır.

kuantum bellek

ölçeklenebilir ağın bir parçası olarak ışınlanma gelecekteki kullanımı kuantum bellek ile entegrasyonu ile doğrudan ilgilidir. İkinci verimlilik dönüşüm arayüzü "radyasyon-madde', kayıt ve okuma, zaman ve saklama kapasitesi, yüksek hız ve depolama kapasitesinin bir doğruluk bakımından mükemmel olması gerekir. Her şeyden önce sen kadar hata düzeltme kodlarını kullanarak doğrudan transferi ötesinde iletişimi arttırmak için repeaters kullanmasına olanak sağlar. İyi bir kuantum hafıza geliştirme dolanması ve ışınlanma ağ iletişimi dağıtmak değil, aynı zamanda depolanmış bilgiyi işlemek bağlı değil sadece izin verecek. Sonuçta bu uluslararası dağıtılan ağı dönüşebilir kuantum bilgisayarın veya gelecekteki kuantum internet için bir temel.

umut verici gelişmeler

Nükleer toplulukları geleneksel olarak çünkü küresel ışığı iletmek için gereken 100 ms kadar olabilir "hafif-madde" ve depolama onların milisaniye dönemleri, onların verimli dönüşüm cazip düşündü. Ancak, daha gelişmiş gelişmeler artık mükemmel bir spin ensemble kuantum bellek doğrudan devre QED ölçeklenebilir mimarisi ile entegre yarı iletken sistemlerin temelinde bekleniyor. Bu bellek, sadece uygunluk zaman devresi QED uzatmaz, aynı zamanda, optik telekomünikasyon ve çip mikrodalga fotonların dönüşümü için optik mikrodalga arayüz sağlamak için.

Böylece, kuantum internet alanındaki bilim adamlarının gelecekteki keşifler uzun mesafeli optik haberleşme, kuantum bilgi işleme için konjuge yarı iletken birimlere dayalı olması muhtemeldir.