Kvanttiteleportaatio on prosessi, joka siirtää hiukkasen kvanttitilan paikasta toiseen välittämättä hiukkasta itse. Se perustuu kvanttiliitokseen, ilmiöön, jossa kaksi hiukkasta korreloivat niin, että mittaamalla toinen välittömästi vaikuttaa toiseen, etäisyydeltä riippumatta. Kaukana fyysisen aineen teleportoinnista tämä tekniikka siirtää kvanttitietoa. Järjestelmän perustila. Järjestelmä on kulmakivi tuleville kvanttiteknologioille. Ensimmäinen ehdotettu teoriassa vuonna 1993 Charles Bennettin ja kollegojen toimesta, kvanttiteleportaatio on sittemmin kokeellisesti osoitettu fotonien, atomien ja jopa yli satojen kilometrejen kautta maa- ja satelliittilinkkien kautta. Tämä artikkeli tutkii ydinperiaatteita, käytännön sovelluksia, olemassa olevia haasteita ja tulevaisuuden näkymiä kvanttiteleportaatiossa.

Kvanttiteleportaation keskeiset periaatteet

Kvanttien sisäänpääsy ja Bell States

Kun kaksi kvanttiteleportaatiota (kvantitum bittiä) on sotkettu toisiinsa, niiden yhdistettyä tilaa ei voida kuvata itsenäisesti; ne muodostavat yhteisen järjestelmän. Yleisimmät kietoutuneet valtiot ovat Bell valtiot: ... .........................................................................................................................................................................................................

Teleportaatiopöytäkirja

Teleportaatioprotokolla koostuu kolmesta vaiheesta: sotkeutumisesta, mittaamisesta ja jälleenrakentamisesta.

  • Väestövalmistelu:[ Alice ja Bob jakavat kietoutuneet pari (artikkelit B ja C). Aluksi ei ole tietoa tilasta .
  • Kellon mittaus:[ Alice suorittaa yhteisen mittauksen hiukkaselle A (sisältää ...) ja hänen puoliskolleen kietoutuneesta parista (partikkeli B). Tämä mittausprojektit A:n ja B:n yhdistetty järjestelmä yhdeksi neljästä Bell-tilasta. Mittaus tuhoaa alkuperäisen tilan . A:ssa ja yhdistää tuloksen välittömästi Bob.s partikkeliin C.
  • Klassinen viestintä ja rekonstruktio:[] Alice lähettää tuloksen hänen Bell mittaus (kaksi klassista bittiä) Bob yli minkä tahansa tavanomaisen kanavan (esim., kuitu optinen kaapeli tai radio). Perustuu vastaanotettu bittien, Bob soveltaa tietyn yhtenäisen toiminnan (kvanttiportti) hänen hiukkasen C. Tämä operaatio täsmälleen toistaa valtion ...........................................

Kriittisesti alkuperäinen tila ..........................................................................................................................................................................................................................................................

Klassisen viestinnän rooli

Klassinen viestintä on välttämätöntä kvanttiteleportaatiossa. Ilman sitä Bob ei tietäisi, mitä yhtenäistä muutosta sovelletaan. Koska klassinen tieto ei voi ylittää valon nopeutta, teleportaatio ei mahdollista valoa nopeampaa viestintää. Kaksi klassista bittiä matkustaa parhaimmillaan valonnopeudella, joten kokonaisprosessi kunnioittaa suhteellisuusperiaatetta. Tämä klassinen kanava tuo myös mukanaan latenssin, joka rajoittaa teleportaatiopohjaisten protokollien tehokasta läpimenoa.

Tärkeimmät teknologiset vaatimukset

Sisällys

Yhteydenpito on hauras. Vuorovaikutus ympäristön kanssa aiheuttaa dekoherenssia, joka tuhoaa teleportaation kannalta olennaiset korrelaatiot. Jotta pysyisit sotkeutuneena etäältä, tutkijat käyttävät matalan valokuidun, vapaa-avaruuden laserlinkkejä tai jopa satelliittikanavia. He käyttävät myös tekniikoita, kuten sotkeutumista tislaamaan osittain hajoavia solmuja. Esimerkiksi Micius-satelliitti (Kiina) on osoittanut kietoutumisen jakautumista ja teleportaatiota yli 1200 km:n etäisyyksillä käyttäen vapaa-avaruuden optiikkaa, lieventämällä ilmakehän turbulenssien vaikutuksia aktiivisen osoituksen ja polarisaation kompensoinnin kautta.

Kvanttitoistot ja kauko- teleportaatio

Suora siirto kietoutuneet fotonit yli pitkä optinen kuidut kärsivät eksponentiaalinen tappio. Voit voittaa tämän, kvantti toistimet ehdotetaan. Kvantti toistin jakaa kokonaisetäisyyden pienempiin segmentteihin, perustaa kietoutuminen kuhunkin segmenttiin, ja sitten suorittaa kietoutuminen swaping liittää ne. Kvantti teleportaatio on perustoiminnon näissä swapeissa. Viimeaikaiset kokeet ovat osoittaneet teleportaatio yli kuituverkkojen ulottuu kymmeniä kilometrejä korkea uskollisuus, tasoittaa tietä tulevaisuuden kvantti internet.

Käytännön sovelluksia teorian ulkopuolella

Kvanttiviestintäverkot

Kvanttiteleportaatio mahdollistaa kvanttitilan turvallisen siirron verkon solmujen välillä. Tämä on välttämätöntä kvantti-internetin rakentamiseksi, jossa kvanttiprosessorien välillä voidaan teleportoida kvanttitietokoneita, mahdollistaa hajautetun kvanttitietokoneen ja turvallisen viestinnän. Yritykset ja tutkimusryhmät maailmanlaajuisesti kehittävät suurkaupunkien kvanttiverkkoja. Esimerkiksi Hefeissä (Kiinassa), Tokiossa ja Cambridgessa (USA) nämä verkot käyttävät fotonisia teleportaatioita erillisten fyysisten järjestelmien yhdistämiseksi.

Jaettu kvanttilaskenta

Suuret kvanttitietokoneet voivat koostua useista pienemmistä kvanttiprosessorien yhdistämistä teleportaatiosta. Sen sijaan, että liikuttaisivat fyysisiä kvantti- ja teleportaatiotiloja, säilyttäisivät yhtenäisyyden. Tämä arkkitehtuuri mahdollistaa modulaarisen skaalauksen ja helpomman virhekorjauksen. Esimerkiksi teleportaatio voi toteuttaa kvanttiportteja eri prosessorien välillä.

Turvallinen tiedonsiirto (Kvanttiavaimen jakelu)

Vaikka kvanttiavaimen jakelu (QKD) perustuu usein suoraan Qbits, teleportaatio tarjoaa vaihtoehdon: teleportaatio-pohjainen QKD-protokolla. Tässä järjestelmässä, kietoutunut tila teleportoidaan Alice Bob luoda salaisia avaimia. Koska teleportaatio ei paljasta lähetetty tilaa kanavalle samalla tavalla, se voi olla vahvempi vastaan tiettyjä hyökkäyksiä ja tappioita. Lisäksi teleportaatio on peruslähtökohta kvanttisalaus ja turvallinen monipuoluelaskenta.

Haasteet ja nykyiset tutkimusrajat

Uskollisuus ja virheen korjaaminen

Kvanttiteleportaation menestys mitataan uskollisuudella.Miten tarkasti teleportattu tila vastaa alkuperäistä. Uskollisuutta voidaan heikentää epätäydellisellä sotkeutumisella, menetyksellä ja melulla Bell-mittauksessa. Nykyaikaiset kokeilut saavuttavat uskollisuuden yli 90%, mutta 99,99 prosenttia on tarpeen vika-toleranttien kvanttiverkkojen kannalta. Kvanttivirhekorjauskoodeja voidaan käyttää teleportoitujen valtioiden suojelemiseksi, mutta ne vaativat lisäqubittejä ja resursseja. Tutkijat työskentelevät aktiivisesti parantaakseen kietoutuneiden fotonilähteiden laatua ja ilmaisimia parantaakseen uskollisuutta.

Teleportaation laajentaminen

Useimmat teleportaatio mielenosoitukset ovat yhden laukauksen tapahtumia: yksi Qubit teleportata kerrallaan. Ollakseen hyödyllinen, teleportauksen on toimittava korkealla nopeudella (esim., miljoonat teleportatut qubit sekunnissa) ja tukea moniqubit valtiot. Tämä vaatii multipleksing, nopea elektroniikka, ja tarkka synkronointi. Viimeaikaiset edistysaskeleet integroitu fotoniikka ja siru-mittainen kvanttilaitteet lupaavat miniatyyrisoida teleportaatio setups, mutta skaalattavuus on edelleen suuri tekninen haaste.

Satelliittipohjainen teleportaatio

Micius-satelliittikokeilut (2016...2020) olivat merkkipaalu, kun ne saavuttivat kvanttiteleportaation maa-asemalta satelliittiin ja päinvastoin. Nämä testit käyttivät laskeutuvan yhteyden solmuttua lähdettä, jossa Bellin mittaukset tehtiin paikan päällä. Satelliitti välitti klassisen tiedon valtion jälleenrakentamiseksi. Tulokset vahvistivat teleportaation jopa 1400 kilometrin etäisyyksillä yli 80%:lla. Tulevilla hankkeilla pyritään luomaan useiden satelliittien verkosto, joka mahdollistaa maailmanlaajuisen kvanttiteleportaation.

Kvanttiteleportaation tulevaisuus

Kun teknologia kypsyy, kvanttiteleportaatio siirtyy laboratorio-demonstraatioista reaalimaailman infrastruktuuriin. Euroopan kvantti-internetallianssi, Yhdysvaltain energia-ministeriö . Kvantti-internet- ja China. Kvanttiteleportaatio-ohjelmat Space Scalessa (QUESS) ovat kaikki investoineet teleportaatioon perustuviin verkkoihin. Kymmenen vuoden kuluessa saatamme nähdä ensimmäisen integroidun kvanttiverkon, joka yhdistää useita kaupunkeja, teleportaation avulla kvanttitietokoneita ja sensoreita. Teleportaatiolla on myös rooli kvanttiansormennuksessa, mikä mahdollistaa ennennäkemätöntä vakautta olevien atomikellojen verkot sekä kvanttimekaniikan perustesteissä, kuten Bell epätasa-arvoisten rikkomusten ja avaruuden kaltaisen erottelun.

Kvanttiteknologian ydinoperaatioksi jää kietoutumisen, mittaamisen ja klassisen viestinnän yhdistelmä. Vaikka makroskooppisten esineiden teleportointi on edelleen science-fiktiota, kyky siirtää kvanttitiloja luotettavasti avaa ovet diplomatian, hajautetun laskentatavan ja syvemmän ymmärryksen varmistamiseksi universumista.

Päätelmät

Kvanttiteleportaatio on paljon enemmän kuin teoreettinen uteliaisuus. Se on käytännön protokolla, joka mahdollistaa siirron kvanttitiedon siirtämättä kantorakettihiukkasia. Vääntämällä kietoutumista ja klassinen viestintä, se ratkaisee perustavaa rajoitusta ei-kloonaava lause. Tahti kokeellinen edistyminen. Kvanttiteleportaatio on perustava rakennus lohko seuraavan sukupolven viestintä- ja tietotekniikkajärjestelmien.

Lisätietoja on saatavilla C. H. Bennettin ja al.:n alkuperäisessä ehdotuksessa . [.]Teleporting an tuntematon Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels.[ (Fysical Review Letters, 1993) ja the recent demonstration of quantum teleportation in free space by J. Yin et al., Luonto 2020.Tiede . Kvantti-internetin yleiskatsaus on .