Quanten-Teleportation: die großen Entdeckungen der Physiker

Quanten-Teleportation ist eine der wichtigsten Protokolle in der Quanteninformation. Basierend auf den physischen Ressourcen der Verwirrung, ist es das Hauptelement der verschiedenen Informationsaufgaben und stellt einen wichtigen Teil der Quantentechnologien eine Schlüsselrolle bei der weiteren Entwicklung der Quanten-Computing, Netzwerk und Kommunikation zu spielen.

Von Science-Fiction zu wissenschaftlichen Entdeckungen

Es hat sich seit der Entdeckung des Quanten-Teleportation über zwei Jahrzehnten, die wohl eine der interessantesten und spannendsten Folgen von „Fremdheit“ ist der Quantenmechanik. Bevor diese großen Entdeckungen gemacht wurden, gehörte diese Idee in den Bereich der Science-Fiction. Zuerst im Jahre 1931 von Charles H. Fort Begriff „Teleportation“ erfunden wurde verwendet, da wurde das Verfahren zu beschreiben, durch die der Körper und die Objekte von einem Ort zum anderen übertragen werden, ist es nicht wirklich um den Abstand zwischen ihnen überwinden.

Im Jahr 1993 veröffentlichte er einen Artikel beschreibt das Protokoll der Quanteninformation, „Quanten-Teleportation“ genannt, die oben aufgeführten einige der Symptome geteilt. Es unbekannter Zustand eines physikalischen System gemessen und anschließend wiedergegeben, oder „re-going“ in der Remote-Site (die physikalischen Elemente des ursprünglichen Systems bleiben an Ort und Stelle Transfer). Dieser Prozess erfordert die klassischen Mittel der Kommunikation und beseitigt superluminal Kommunikation. Es erfordert ein Leben der Verwirrung. In der Tat, Teleportation kann als Protokoll der Quanteninformation betrachtet werden, die am deutlichsten die Art der Verwirrung zeigt: ohne das Vorhandensein eines Zustands der Übertragung nicht möglich wäre, im Rahmen der Gesetze, die die Quantenmechanik beschreiben.

Teleportation hat eine aktive Rolle in der Entwicklung der Wissenschaft der Informationen gespielt. Auf der einen Seite ist dies ein konzeptionelles – Protokoll, das eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung einer formalen Quanten spielt Informationstheorie, und auf dem anderen Seite ist es ein grundlegender Bestandteil vielen Technologien. Die Quanten Repeater – ein Schlüsselelement der Fernkommunikation. Teleportation Quantenschalter, Berechnung basierend auf Messungen und Quantennetzwerk – sind alle Derivate davon. Es wird als ein einfaches Werkzeug für das Studium der „extreme“ der Physik, auf temporären Kurven und Verdunstung verwendet von Schwarzen Löchern.

Heute Quanten in Labor bestätigt Teleportation auf der ganzen Welt eine Vielzahl von Substraten und Technologien, einschließlich photonischen Qubits, kernmagnetische Resonanz, optische Moden, Gruppen von Atomen, die gefangenen Atom und Halbleitersystemen. Hervorragende Ergebnisse wurden in den Teleportation Bereich kommenden Experimenten mit Satelliten erreicht. Außerdem wurde versucht, auf komplexere Systeme zu skalieren.

Teleportation von Qubits

Quanten-Teleportation wurde zum ersten Mal für die Zwei-Ebenen-Systeme beschrieben, die so genannten Qubits. Protokoll zwei Remote-Parteien, genannt Alice und Bob erwägt, die Qubits teilen 2, A und B sind in reinem Zustand verstrickt, auch Bell-Paar genannt. Am Eingang Alice einen anderen Qubit gegeben und deren Zustand ρ ist unbekannt. Er führt dann eine gemeinsame Quantenmessung, die so genannte Entdeckung von Bell. Er trägt ein und A in einem der vier Bell-Staaten. Als Ergebnis , wenn der Eingangszustand des Qubits Alice und Bob gemessen verschwindet B Qubit gleichzeitig auf P projiziert ^† _k & rgr; p _k. Im letzten Schritt Protokoll Alice sendet ein klassisches Ergebnis seiner Messung Bob, der Pauli P _k Operator gilt die ursprüngliche ρ wiederherzustellen.

Der Anfangszustand eines Qubits Alice ist anonym betrachtet, da sonst das Protokoll auf seine Fernmessung reduziert wird. Darüber hinaus kann es selbst Teil eines größeren Verbundsystem, geteilt mit einem Dritten (in diesem Fall erfolgreich Teleportation erfordert all Wiedergabe Korrelationen mit diesem Dritten).

Ein typisches Experiment der Quanten teleportation nimmt reinen ursprünglichen Zustand und die Zugehörigkeit zu einem begrenzten Alphabet, beispielsweise sechs Pole der Bloch-Kugel. In Anwesenheit von Dekohärenz Qualität des rekonstruierten Zustand quantitativ genaue Teleportation F ∈ ausgedrückt werden [0, 1]. Diese Genauigkeit zwischen den Staaten von Alice und Bob, gemittelt über alle Ermittlungsergebnisse des Bell und das ursprünglichen Alphabets. Für kleine Werte der Genauigkeit der Methoden existieren, was eine unvollkommene teleportation ohne komplizierte Ressource. Zum Beispiel kann durch das Senden Alice Bob zur Herstellung des resultierenden Zustandes seines ursprünglichen Zustand direkt messen. Diese Messung-Ausbildungsstrategie als „klassische Teleportation.“ Es hat eine maximale Genauigkeit von F = 2/3 _Klasse für jeden Eingangszustand, die äquivalenten alphabetisch sie unvoreingenommene Bedingungen, wie die Bloch – Kugel sechs Polen.

Somit ist ein klarer Hinweis auf die Verwendung von Quanten Ressourcen ein Genauigkeitswert F> _{Klasse F.}

Kein einziges Qubit

Nach der Quantenphysik, Teleportation von Qubits nicht begrenzt ist, kann es ein mehrdimensionales System umfasst. Für jedes endliches Maß d kann ideales Schema teleportation Verwendung Basis maximal verschränkten Zustand Vektoren formuliert werden , die von einem gegebenen maximal verschränkten Zustand und eine Basis {U _k} unitäre Operatoren erfüllen ^{_{tr (U † j U k)}} erhalten werden können , = dδ j, k . Solch ein Protokoll für jedes finite-Hilbert-Raum r konstruiert werden. N. diskrete variable Systeme.

Darüber hinaus kann Quanten-Teleportation auf Systeme mit unendlich Hilbert-Raum anzuwenden, die so genannten kontinuierlich variable Systeme. In der Regel werden sie durch optischen Boson Modi, das elektrische Feld realisiert, die Quadratur-Operatoren beschrieben werden kann.

Geschwindigkeit und Unschärferelation

Was ist die Geschwindigkeit der Quanten-Teleportation? Die Informationen werden mit einer Geschwindigkeit ähnlich die Geschwindigkeit der Übertragung der gleichen Anzahl von klassischen übertragen – möglicherweise mit der Lichtgeschwindigkeit. Theoretisch kann es so verwendet werden, wie klassische kann nicht – zum Beispiel in der Quanten-Computing, in dem die Daten nur für den Empfänger zur Verfügung stehen.

Hat Quanten – Teleportation verletzen die Uncertainty Principle? In der Vergangenheit ist die Idee der Teleportation nicht wirklich ernst genommen von den Gelehrten, weil man glaubte, dass es den Grundsatz des Verbots jeder Mess- oder Scanvorgang verletzt alle Informationen Atom oder ein anderes Objekt zu extrahieren. In Übereinstimmung mit dem Prinzip der Unsicherheit, desto genauer das Objekt gescannt wird, desto mehr wird es durch den Scanprozess beeinflusst, bis ein Punkt erreicht ist, wenn der ursprüngliche Zustand des Objekts in einem solchen Ausmaß gestört, dass mehr nicht genügend Informationen erhalten werden, um eine Replik zu erstellen. Es klingt überzeugend: Wenn eine Person keine Informationen von dem Objekt zu erstellen, perfekte Kopien extrahieren kann, kann diese nicht durchgeführt werden.

Quantum Teleportation für Dummies

Aber die sechs Wissenschaftler (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres und Uilyam Vuters) einen Weg gefunden , um diese Logik, eine berühmte und paradoxe Merkmal der Quantenmechanik unter Verwendung bekannter als Einstein-Podolsky-Rosen. Sie fanden einen Weg, um die Informationen teleportierte Objekt A zu scannen, und den verbleibende ungetestet Teil über die Wirkung der Übertragung anderer Gegenstände in Kontakt mit einem nie halten.

Anschließend wird durch Einwirkung auf C abhängig gescannten Informationen Anwendung kann in den Zustand A eingegeben werden, zu scannen. Und selbst ist nicht in der gleichen Bedingung wie der Scan-Prozess umgekehrt, ist somit erreicht Teleportation, nicht-Replikation.

Der Kampf für den Bereich

• Die erste Quanten-Teleportation fand im Jahr 1997 fast gleichzeitig von Wissenschaftlern der Universität Innsbruck und der Universität Rom. Während des Experiments mit einer Photonenquelle eine Polarisation und einer von einem Paar verschränkter Photonen verändert worden, so dass das zweite ursprüngliche Polarisations Photon empfing. Somit werden beide Photonen voneinander beabstandet.
• Im Jahr 2012 gab es eine regelmäßige Quanten-Teleportation (China University of Science and Technology) durch den Alpensee in einer Entfernung von 97 km. Ein Team von Wissenschaftlern aus Shanghai geführt von Juan Iinem es geschaffen, einen suggestiven Mechanismus zu entwickeln, die genau gezielten Strahl erlaubt.
• Im September ein Rekord Quanten-Teleportation auf 143 km wurde im selben Jahr durchgeführt. Österreichische Wissenschaftler von der Akademie der Wissenschaften in Österreich und der Universität Wien unter der Leitung von Antona Tsaylingera erfolgreich Quantenzustände zwischen den beiden Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa übertragen. Das Experiment verwendete zwei optische Kommunikationsleitungen in dem offenen, kvantumnaya und klassischen, nicht korrelierten Frequenz Polarisation verhedderte Paare von Photonen-Quellen, sverhnizkoshumnye Einzelphotonendetektoren und Kupplungstaktsynchronisation.
• Im Jahr 2015 Forscher von der US National Institute of Standards and Technology zum ersten Mal machten die Übertragung von Informationen über eine Entfernung von mehr als 100 km optischer Faser. Möglich wurde dies durch das Institut erstellt Photonendetektor mit supraleitenden Nanodrähten aus Molybdänsilicid gemacht.

Es ist klar, dass das Ideal eines Quantensystems oder Technik noch nicht existiert und die großen Entdeckungen der Zukunft wird noch kommen. Trotzdem können wir versuchen, mögliche Kandidaten für bestimmte Anwendungen von Teleportation zu identifizieren. Geeignete Hybridisierungs sie konsistent zu Grundlagen und Methoden zur Verfügung stellen können, die zukunftsträchtigsten für Quanten-Teleportation und deren Anwendungen.

kurze Distanzen

Teleportation eine kurze Strecke (1 m) als Quantenrechensubsystem versprechendsten Halbleitervorrichtungen, von denen die besten ein Diagramm QED ist. Insbesondere supraleitende Qubits kann transmonovye garantieren deterministisch und hochgenaue Teleportation Chip. Sie ermöglichen auch einen direkten Fluss in Echtzeit, die auf photonischen Chips problematisch zu sein scheint. Darüber hinaus bieten sie eine skalierbare Architektur und eine bessere Integration bestehender Technologien im Vergleich zu früheren Ansätzen, wie gefangene Ionen. Derzeit ist der einzige Nachteil dieser Systeme offenbar ihre begrenzte Kohärenzzeit (<100 ms). Dieses Problem kann durch die Verwendung QED Integration gelöst werden mit Halbleiterschaltungen ensemble Speicherzellen (Stickstoff-substituierte mit offenen Stellen oder Kristall, dotiert mit seltenen Erdelementen) drehen, das eine lange Kohärenzzeit für den Quanten der Datenspeicherung zur Verfügung stellen kann. Derzeit ist diese Implementierung eine Angelegenheit für größere Anstrengungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

city Link

Us teleportieren zu den Stadtskala (mehrere Kilometer) entwickelt werden, um die optischen Moden verwenden. Bei ausreichend niedrigen Verlust, bieten diese Systeme eine hohe Geschwindigkeit und Bandbreite. Sie können von Desktop-Implementierungen Mittelstreckensysteme erweitert werden Betriebs über die Luft oder eine optische Faser, mit einer möglichen Integration mit einem Ensemble von Quantenspeicher. Über weite Strecken, aber mit geringerer Geschwindigkeit kann durch einen hybriden Ansatz erreicht werden oder durch die Entwicklung von guten Repeatern basierend auf nicht-Gauß-Prozessen.

Telekommunikations

Fern-Quanten-Teleportation (über 100 km) ist ein aktiver Bereich, aber leidet nach wie vor ein ungelöstes Problem. Polarisations Qubits – die besten Träger für Niedriggeschwindigkeits-Teleport über lange faseroptische Kommunikationslinien und durch die Luft, aber im Moment ist das Protokoll eine probabilistische aufgrund unvollständiger Detektion Bella.

Obwohl probabilistische teleportation und Verschränkung ist für Anwendungen wie Destillation von Verschlingung geeignete und Quantenkryptografie, aber es unterscheidet sich deutlich von der Kommunikation, bei der die Eingangsinformation muß vollständig erhalten bleiben.

Wenn wir diese probabilistische Natur akzeptieren, ist die Umsetzung des Satelliten innerhalb der Reichweite moderner Technologien. Neben der Integration von Tracking-Verfahren, sind das Hauptproblem die hohen durch die Ausbreitung des Strahles verursachte Verluste. Dies kann in einer Konfiguration überwunden werden, wo Verschränkung von dem Satelliten zu dem Terrestrisches Teleskop mit einer großen Apertur verteilt wird. Unter der Annahme, Satelliten Apertur von 20 cm bei 600 km Höhe und 1 m Apertur Teleskop auf dem Boden, kann man etwa 75 dB Verlust in einem Downlink-Kanal erwarten, die weniger als 80 dB Verlust in Bodenhöhe ist. Die Umsetzung der „Erdsatelliten“ oder „Begleiter Satellit“ sind komplexer.

Quantenspeicher

Zukünftige Nutzung von Teleportation als Teil eines skalierbaren Netzwerkes ist direkt im Zusammenhang mit der Integration mit Quantenspeichern. Letzteres muss in Bezug auf die Effizienz Umwandlungsschnittstelle „strahlungs Materie‘, eine Genauigkeit von Aufzeichnen und Lesen, Zeit und Speicherkapazität, mit hoher Geschwindigkeit und Speicherfähigkeit hervorragend sind. Zunächst einmal ist es erlaubt Ihnen, Repeater zu verwenden für die Kommunikation weit über die direkte Übertragung Verbesserung der Fehlerkorrekturcodes. Die Entwicklung eines guten Quantenspeicher erlauben würde, nicht nur Verstrickung und Teleportation Netzwerk-Kommunikation zu verteilen, sondern auch verarbeiten gespeicherten Informationen verbunden. Letzten Endes in ein Netzwerk von international verteilten drehen, könnte dies Quantencomputer oder eine Basis für zukünftige Quanten Internet.

vielversprechende Entwicklungen

Kern Ensembles traditionell als attraktiv wegen ihrer effizienten Umsetzung der „Licht-Materie“ und ihre Millisekunden Lagerzeiten, die bis zu 100 ms betragen können benötigt Licht übertragen global. Es sind jedoch weitere Weiterentwicklungen nun auf der Basis von Halbleitersystemen erwartet, wo ausgezeichnete Spinensemble Quantenspeicher direkt mit der skalierbaren Architektur der Schaltung QED integriert. Dieser Speicher kann nicht nur die Kohärenzzeit Schaltung QED, erstrecken, sondern auch optisch-Mikrowellen-Schnittstelle für die gegenseitige Umwandlung der optischen Telekommunikation und Chip-Mikrowellenphotonen bereitzustellen.

Daher sind zukünftige Entdeckungen von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Quanten Internet wahrscheinlich auf Fern optische Kommunikation, konjugierten Halbleitereinheiten für die Quanteninformationsverarbeitung basieren.