Kvanttiteleportaatio

Kvanttiteleportaatio on kvanttitilan  välittämistä etäisyyden yli käyttämällä avaruudessa erotettua kietoutunutta paria ja klassista viestintäkanavaa , jossa tila tuhotaan lähtöpisteessä mittauksen aikana ja luodaan uudelleen vastaanottopisteessä.

Termi syntyi Physical Review Letters -lehdessä vuonna 1993 julkaistun artikkelin [1] ansiosta , jossa kuvataan millaista kvanttiilmiötä ehdotetaan kutsuttavaksi "teleportaatioksi" ( englanniksi teleporting ) ja miten se eroaa " teleportaatiosta " "suosittu tieteiskirjallisuudessa.  

Kvanttiteleportaatio ei siirrä energiaa tai ainetta etäisyyden päähän. Fantastinen teleportaation käsite tulee kokeen erityisestä tulkinnasta: "hiukkasen A alkutila sen jälkeen, kun kaikki on tapahtunut, tuhoutuu. Eli tilaa ei kopioitu, vaan siirrettiin paikasta toiseen.

Kokeen kuvaus

Kvanttiteleportaatiota toteutettaessa on kvanttikanavan kautta tapahtuvan tiedon välittämisen lisäksi tarpeen välittää myös klassisen kanavan kautta viestin lukemiseen tarvittavaa lisäinformaatiota. "Kvanttiosan" välittämiseen käytetään Einstein-Podolsky-Rosen- korrelaatioita , jotka ovat ominaisia ​​kvanttisekoittuneille hiukkasille , ja mikä tahansa perinteinen viestintäkanava sopii klassisen tiedon välittämiseen.

Tarkastellaan yksinkertaisuuden vuoksi kvanttijärjestelmää, jossa on kaksi mahdollista tilaa ja (esimerkiksi elektronin tai fotonin spinin projektio tietylle akselille). Tällaisia ​​järjestelmiä kutsutaan usein kubiteiksi . Alla kuvattu menetelmä soveltuu kuitenkin minkä tahansa järjestelmän tilan siirtämiseen, jossa on äärellinen määrä tiloja.

Olkoon lähettäjällä hiukkanen A, joka on mielivaltaisessa kvanttitilassa ja hän haluaa siirtää tämän kvanttitilan vastaanottajalle, eli varmistaa, että vastaanottajalla on käytössään samassa tilassa oleva hiukkanen B. Toisin sanoen on tarpeen välittää kahden kompleksiluvun suhde ja (maksimitarkkuudella). Huomaa, että päätavoitteena tässä ei ole välittää tietoa niin nopeasti kuin mahdollista, vaan mahdollisimman tarkasti . Tämän tavoitteen saavuttamiseksi suoritetaan seuraavat vaiheet.

1. Lähettäjä ja vastaanottaja luovat etukäteen kvanttisekoitetun (esimerkiksi kaksi kubittia Bell-tilassa ) C:n ja B : n parin , jolloin C pääsee lähettäjälle ja B vastaanottajalle. Koska nämä hiukkaset ovat kietoutuneet, kullakin niistä ei ole omaa aaltofunktiota (tilavektoria), vaan koko pari (tai pikemminkin meitä kiinnostavat vapausasteet) kuvataan yhdellä neliulotteisella tilavektorilla .
2. Hiukkasten A ja C kvanttijärjestelmässä on neljä tilaa, mutta sen tilaa ei voida kuvata vektorilla - vain kolmen hiukkasen järjestelmällä A, B, C on puhdas (täysin määritelty) tila. Kun lähettäjä tekee mittauksen, sillä on neljä mahdollista lopputulosta, kahden hiukkasen A ja C järjestelmässä hän saa yhden mitatun suuren neljästä ominaisarvosta. Koska tämän mittauksen aikana kolmen hiukkasen A, B, C järjestelmä romahtaa johonkin uuteen tilaan ja hiukkasten A ja C tilat tulevat täysin tunnetuiksi, kietoutuminen tuhoutuu ja hiukkanen B joutuu tiettyyn kvanttitilaan.
3. Juuri tällä hetkellä tapahtuu tiedon "kvanttiosan" "siirto". Lähetetyn tiedon palauttaminen on kuitenkin edelleen mahdotonta: vastaanottaja tietää, että hiukkasen B tila liittyy jotenkin hiukkasen A tilaan, mutta ei tiedä tarkalleen kuinka !
4. Tämän selvittämiseksi on välttämätöntä, että lähettäjä välittää mittauksensa tuloksen vastaanottajalle tavanomaisen klassisen kanavan kautta (kuluttaen kaksi bittiä, jotka vastaavat lähettäjän mittaamaa AC-kytkentätilaa). Kvanttimekaniikan lakien mukaan käy ilmi, että kun mittaustulos on suoritettu hiukkasparille A ja C ja plus hiukkaselle B sotkeutuneena C:n kanssa, vastaanottaja pystyy suorittamaan tarvittavan muunnoksen hiukkasen B tila ja palauttaa hiukkasen A alkutila.

Täysi tiedon välitys suoritetaan vasta sen jälkeen, kun vastaanottaja on vastaanottanut tiedot molempien kanavien kautta. Ennen kuin tulos vastaanotetaan klassisella kanavalla, vastaanotin ei voi sanoa mitään lähetetystä tilasta.

Lähetetyn tiedon sieppaaminen on pohjimmiltaan mahdotonta; jos "tunkeilija" yrittää seurata kietoutuvan parin B ja C kehitystä, hän tuhoaa välittömästi sen sotkeutumisen.

Kokeellinen toteutus

• Fotonin polarisaatiotilan kvanttiteleportaation kokeellisen toteutuksen suorittivat vuonna 1997 lähes samanaikaisesti fyysikkoryhmät, joita johtivat Anton Zeilinger ( Innsbruckin yliopisto ) [2] ja Francesco de Martini ( Rooman yliopisto ) [3] .
• Nature -lehdessä 17. kesäkuuta 2004 ilmoitettiin kahden tutkimusryhmän onnistuneesta kokeellisesta havainnosta atomin kvanttitilan kvanttiteleportaatiosta samanaikaisesti: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 Arkistoitu 15. marraskuuta , 2006 Wayback Machinessa kalsiumatomi-ioni) ja MDBarrett et ai., Nature 429, 737-739 Arkistoitu 15. marraskuuta 2006 Wayback Machinessa ( barylliumatomi-ioni- kubittiteleportaatio ). Huolimatta lisääntyneestä kiinnostuksesta mediaa kohtaan , näitä kokeita tuskin voi kutsua läpimurroksi: pikemminkin se on vain yksi iso askel kohti kvanttitietokoneiden luomista ja kvanttisalauksen toteuttamista .
• Vuonna 2006 teleportaatio toteutettiin ensimmäistä kertaa erilaisten objektien välillä - lasersäteilykvantit ja cesiumatomit . Onnistuneen kokeen suoritti Kööpenhaminassa sijaitsevan Niels Bohr -instituutin tutkimusryhmä . [neljä]
• 23. tammikuuta 2009 tutkijat onnistuivat ensimmäistä kertaa teleportoimaan ionin kvanttitilan yhdellä metrillä. [5] [6]
• Toukokuun 10. päivänä 2010 Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston ja Tsinghuan yliopiston fyysikkojen järjestämässä kokeessa fotonin kvanttitila välitettiin 16 kilometrin päähän. [7] [8]
• Vuonna 2012 kiinalaiset fyysikot onnistuivat lähettämään 1 100 sotkeutunutta fotonia 97 kilometrin etäisyydelle 4 tunnissa. [9] [10]
• Syyskuussa 2012 Wienin yliopiston ja Itävallan tiedeakatemian fyysikot tekivät uuden kvanttiteleportaation ennätyksen - 143 kilometriä [11]
• 21. syyskuuta 2014 julkaistussa artikkelissa tiedemiesryhmä ilmoitti onnistuneensa kvanttiteleportoimaan optisessa kuidussa olevan fotonin ennätysetäisyydelle (optiselle kuidulle) - 25 kilometriä [12] [13] [14] [ 15] .
• Syyskuussa 2015 Yhdysvaltain kansallisen standardointi- ja teknologiainstituutin tutkijat onnistuivat teleportoimaan fotoneja kuidun yli yli 100 kilometrin etäisyydeltä. Kokeen aikana käytettiin yksifotonista ilmaisinta molybdeenisilikiin perustuvilla suprajohtavilla kaapeleilla lämpötilassa, joka on lähellä absoluuttista nollaa [16] .
• Kesäkuussa 2017 kiinalaiset tutkijat suorittivat kvanttiteleportaation yli 1200 kilometrin etäisyydellä [17] [18] .
• Vuonna 2020 Chicagon yliopiston tutkijaryhmä pystyi todistamaan mahdollisuuden kvanttitilan välittömään siirtymiseen pitkiä matkoja. Tutkijat pystyivät lähettämään kvanttitilan yli 44 km:n etäisyydellä yli 90 %:n tarkkuudella valokuituverkkojen kautta, jotka ovat samanlaisia ​​kuin ne, jotka muodostavat nykyisen Internetin perustan [19] .

Katso myös

• kvanttitietokone
• kvanttitietoa
• kvanttialgoritmi
• kvantti kryptografia
• Ei-kloonauslause
• Mahdollinen
• Mo Tzu (satelliitti)
• Bennett-Brassard-Crepeaux-Jozhes-Perez-Wuttersin pöytäkirja

Muistiinpanot

1. ↑ Bennett C., Bennett C. H. , Brassard G. , Crépeau C. , Jozsa R. , Peres A. , Wootters W. Tuntemattoman kvanttitilan teleportointi kaksoisklassisten ja Einstein-Podolsky-Rosen-kanavien kautta  // Phys . Rev. Lett. - [Woodbury, NY, jne.] : American Physical Society , 1993. - Voi. 70, Iss. 13. - P. 1895-1899. — ISSN 0031-9007 ; 1079-7114 ; 1092-0145 - doi:10.1103/PHYSREVLETT.70.1895 - PMID:10053414
2. ↑ Luonto 390 . Haettu 11. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 29. lokakuuta 2009. (määrätön)
3. ↑ Phys. Rev. Lett. 80, 1121-1125 (1998) ( arXiv : quant-ph/9710013 )
4. ↑ Ensimmäinen kvanttiteleportaatio valon ja aineen välillä  (  5. lokakuuta 2006). Arkistoitu alkuperäisestä 5. kesäkuuta 2011.
5. ↑ Fyysikot teleportoivat ioneja metriä kohti ensimmäistä kertaa. Lenta.ru  (englanniksi)  (26. tammikuuta 2009). Arkistoitu alkuperäisestä 31. tammikuuta 2009. Haettu 1. kesäkuuta 2009.
6. ↑ lehdistötiedote Joint Quantum Instituten verkkosivuilla  (eng.)  (23.1.2009). Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2009. Haettu 1. kesäkuuta 2009.
7. ↑ Kvanttiteleportaatio suoritettiin 16 kilometriä. Compulenta.ru  (venäjä)  (20. toukokuuta 2010). Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2012. Haettu 21. toukokuuta 2010.
8. ↑ Kokeellinen vapaan tilan kvanttiteleportaatio  ( 16. toukokuuta 2010). Arkistoitu alkuperäisestä 22. elokuuta 2011.
9. ↑ Fotonit teleportoituivat ennätysetäisyydelle Lenta.ru  (venäläinen)  (12. toukokuuta 2012). Arkistoitu alkuperäisestä 14. toukokuuta 2012. Haettu 14. toukokuuta 2012. ( arXiv : quant-ph/1205.2024 )
10. ↑ Juan Yin et ai. Kvanttiteleportaatio ja sotkeutumisjakauma 100 kilometrin vapaan tilan kanavilla   // Luonto . - 2012. - Vol. 488.-s. 185-188. - doi : 10.1038/luonto11332 .
11. ↑ Uusi kvanttiteleportaation ennätys - 143 kilometriä cybersecurity.ru  (venäläinen)  (12. elokuuta 2012). Arkistoitu alkuperäisestä 7. syyskuuta 2012. Haettu 6. syyskuuta 2012.
12. ↑ Kvanttiteleportaatio tietoliikenteen aallonpituusfotonista solid-state-  kvanttimuistiin . Nature Photonics (21. syyskuuta 2014).
13. ↑ Kvanttiteleportaatio tietoliikenteen aallonpituusfotonista solid-state-  kvanttimuistiin . Haettu 18. marraskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 18. marraskuuta 2016.
14. ↑ Pidemmän matkan kvanttiteleportaatio saavutettu  (  21. syyskuuta 2016). Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2017. Haettu 18.11.2016.
15. ↑ Tutkijat (venäläiset) ovat saavuttaneet kvanttiteleportaation 25 km:n etäisyydellä  , Naked Science (22. syyskuuta 2014). Arkistoitu alkuperäisestä 19. marraskuuta 2016. Haettu 18.11.2016.
16. ↑ Tiedemiehet ovat teleportoineet fotoneja yli 100 km etäisyydelle - IA REGNUM . Haettu 24. syyskuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 25. syyskuuta 2015. (määrätön)
17. ↑ Satelliittipohjainen fotonien kietoutuminen 1 200  kilometrin päähän . EurekAlert!. Haettu 18. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 28. kesäkuuta 2017.
18. ↑ Kiinassa kvanttiteleportaatio suoritettiin 1,2 tuhannen kilometrin etäisyydellä . Arkistoitu alkuperäisestä 10. joulukuuta 2019. Haettu 18. kesäkuuta 2017.
19. ↑ 44 km kvanttiteleportaatio saavutettu Yhdysvalloissa . Arkistoitu alkuperäisestä 4. tammikuuta 2021. Haettu 4.1.2021.

Kirjallisuus

• Teleportaatio: Hyppy mahdottomaan / David Darling. - Moskova: Eksmo, 2008. - 300 s. - (Löydöt, jotka järisyttivät maailmaa). - 3100 kappaletta.  - ISBN 978-5-699-23980-1 .
• Baumester D., Eckert A., Zeilinger A. Kvanttiinformaation fysiikka. M.: Postmarket, 2002. 376 s. Luku 3
• Kaye F., Laflame R., Mosca M. Johdanto kvanttilaskentaan. - Iževsk: RHD, 2009. - 360 s.
• Kilin S.Ya. Kvantit ja tiedot / Optiikan kehitys. - 2001. - Voi. 42. - s. 1-90.
• Kilin S. Ya. Kvanttitiedot / Uspekhi Physical Nauk. - 1999. - T. 169. - C. 507-527. [1] Arkistoitu 20. heinäkuuta 2018 Wayback Machinessa
• Belokurov VV, Timofeevskaya OD, Khrustalev OA Kvanttiteleportaatio on tavallinen ihme. Moscow, Izhevsk: Kustantaja: Regular and Chaotic Dynamics, 2000. 172 s. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Linkit

• Mensky M. B. Kvanttimekaniikka: uusia kokeita, uusia sovelluksia ja vanhojen kysymysten uusia muotoiluja
• Luennot kvanttilaskennasta (johdanto, supertiheyskoodaus, kvanttiteleportaatio, Simonin ja Shorin algoritmit) osana kurssia " Teoreettisen tietojenkäsittelytieteen nykyaikaiset ongelmat Arkistoitu 15. lokakuuta 2008 Wayback Machinessa "
• Kvanttiteleportaatio yhden metrin etäisyydellä on kokeellisesti vahvistettu. Arkistoitu kopio 27. tammikuuta 2009 Wayback Machinessa
• Kvanttiteleportaatio on siirtänyt fotoneja ennätysetäisyydelle Arkistoitu 13. huhtikuuta 2021 Wayback Machinessa
• Tutkijat selittivät, millaista teleportaatiota Venäjällä toteutetaan. Arkistokopio 23.6.2016 Wayback Machinessa
• Fyysikko Alexander Oshchepkov teleportaatiotekniikoiden kehittämisestä vuoteen 2035 mennessä

Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 135068541 GND : 4523321-4 J9U : 987007549397105171 LCCN : sh2005003424 SUDOC : 050219189