Квантове телепортування – це процес, який передає квантовий стан частинок з одного місця в інший без передачі самої частинки. Він спирається на квантове заплутування, явище, де дві частинки стають кореляційними, щоб вимірювати один миттєво впливає на інші, незалежно від відстані. Далеко від телепортування фізичної речовини, ця техніка переходить квантовою інформацією— фундаментальною «державою» системи – створення її кутового каменю для майбутніх квантових технологій. Спочатку запропоновано теоретично в 1993 році Чарльзом Беннеттом і колегами, квантове телепортування було експериментально продемонстровано фотонами, атомами, а також понад сотні кілометрів по наземних і супутникових зв'язках. У статті досліджуються існуючі засади, квантові засади, квантові засади, квантові телепортації, квантові, квантові, квантові телепортації, квантові телепортації, квантові, квантові, квантові, квантові, квантові, квантові телепортації, квантові, квантові, квантові телепортації, квантові, квантові, квантові, квантові, квантові, квантові телепортації, квантові

Основні принципи квантової телепортації

Квантове в'язання та дзвінки

Фундамент квантової телепортації є заплутаним. Коли два кварелі (кількі квантину) заплутані, їх комбінований стан не можна описати самостійно; вони утворюють спільну систему. Найпоширенішими заплутані стани є Bell: Φ^+http://www.facebook===========================================================================================================================================================================================

Протокол телепортації

Протокол телепортації складається з трьох кроків: заплутування, вимірювання та реконструкції.

  • Підготовка: Аліса і Боб поділяють заплутану пару (частинки B і C). Спочатку немає інформації про рідке ⁇ присутні в B або C.
  • Bell вимірювання: Аліса виконує спільний вимір на частинках А (контейнерний хід) і її половина заплутаної пари (частина Б). Цей вимір проектів комбінованої системи А і Б в одну з чотирьох станів Bell. Замір знищує оригінальну державу муфти на А і миттєво зв'язує результат до частинки Боба С.
  • Класний зв'язок і реконструкція: Аліса надішле результат її вимірювання Bell (дві класичні біти) до Боба над будь-яким звичайним каналом (наприклад, волоконно-оптичний кабель або радіо). На основі отриманих біт, Боб застосовує конкретну одиницю операції (кількі ворота) до його частинки C. Ця операція точно відтворює стани на С.

Упродовж виміру дзвінка знищується оригінальна фантастика. Це задовільно неклонування теореми, яка забороняє створення ідеальної копії невідомого квантового стану. Телепортація таким чином передає, а не копії, квантову інформацію.

Роль класичної комунікації

Класичне спілкування незамінне в квантовій телепортації. Без нього Боб не знає, які блокарні перетворення застосовувати. Оскільки класична інформація не може перевищувати швидкість світла, телепортація не дозволяє швидше-тан-світловим зв'язком. Два класичних біти подорожують на кращому при швидкості світла, тому загальний процес поважає релятивність. Цей класичний канал також представляє собою лагентність, яка обмежує ефективний зв'язок телепортаційних протоколів.

Основні технологічні вимоги

Підбірка

Вхід є крихким. Взаємодія з середовищем викликає декогерентність, яка знищує кореляції, необхідні для телепортації. Для підтримки заплутування на відстані, дослідники використовують низько-гляну оптичні волокна, вільні космічні лазерні посилання або навіть супутникові канали. Вони також використовують методи, такі як дистиляція перешкод, щоб очищати частково деградовані заплутані стани. Наприклад, супутник Micius (Китай) продемонстрував розподіл перешкод і телепортацію на відстані понад 1,200 км, використовуючи вільні космічні оптики, пом'якшення впливу атмосферного турбулентності через активне загострення і поляризації компенсація.

Квантові ретранслятори та телепортаж

Пряма передача заплутаних фотонів над довгими оптичними волокнами страждає від розбіжної втрати. Для подолання цього запропоновані квантові повторювачі. Квантовий повторювач розділяє загальну відстань до менших сегментів, встановлює заплутаність в кожному сегменті, а потім виконує заплутування, щоб з'єднати їх. Квантове телепортування є елементарною операцією в цих лепсах. Останні експерименти показали телепортацію над волоконними мережами, що простягають десятки кілометрів з високою чіткістю, кладаючи спосіб майбутнього квантового інтернету.

Практичні програми за межами теорії

Квантова мережа зв'язку

Квантове телепортування дозволяє забезпечити безпечне перенесення квантових станів між вузлами в мережі. Це важливо для побудови квантового інтернету, де квбіти можуть бути передані між квантовими процесорами, що дозволяють розподілено квантові обчислення та безпечні комунікації. Компанії та дослідницькі групи по всьому світу розвиваються столичні квантові мережі— наприклад, в Хефей (Китай), Токіо та Кембридж (США). Ці мережі використовують фотоні телепортацію для підключення окремих фізичних систем.

Розподілений квантовий комп'ютер

Більшість квантових комп'ютерів можуть складатися з декількох менших квантових процесорів, пов'язаних з телепортацією. Замість рухомих фізичних квартів між чіпами, телепортаційними передачами квантових станів, зберігаючи когеренцію. Ця архітектура дозволяє модульне масштабування та полегшення корекції помилок. Наприклад, телепортація може здійснювати квантові ворота між кварками на різних процесорах, відомі як телепортація воріт, що дозволяє досягти можливостей при короткострокових квантових пристроях.

Безпечна передача даних (Quantum Key Distribution)

Хоча квантовий розподіл ключів (QKD) часто базується на прямій передачі квартів, телепортації пропонує альтернативну альтернативу: протоколу телепортації на основі QKD. У цій схемі, заплутаний стан телепортується з Аліси до Боба, щоб встановити секретні ключі. Оскільки телепортація не піддає передається переведенню стану каналу таким же чином, вона може бути більш надійним проти певних атак і збитків. Крім того, телепортація є фундаментальним примітивом для квантового шифрування і безпечного багатостороннього обчислення.

Виклики та сучасні наукові Frontiers

Корекція і виправлення помилок

Успіх квантової телепортації вимірюється за допомогою fidelity—як точно телепортований стан відповідає оригінальному. Фідельність може бути деградована недосконалим заплутуванням, втратою при передачі, шуму в вимірі Bell. Сучасні експерименти досягають фіделей над 90%, але наближається 99,99% необхідний для несправності-надійності квантових мереж. Кванові коди виправлення помилок можуть бути використані для захисту телепортованих станів, але вони вимагають додаткових квартів і ресурсів. Дослідники активно працюють над підвищенням якості заплутаних джерел і детекторів для підвищення фіделності.

Налаштування телепортації

Більшість телепортаційних демонстрацій є односторонніми подіями: одним квартетом, що перевозяться в часі. Щоб бути корисним, телепортація повинна працювати на високих тарифах (наприклад, мільйонах телепортованих квартів на другий) і підтримувати багатосторонні стани. Це вимагає багаторазового, швидкісної електроніки і точної синхронізації. Останні досягнення інтегрованих фотоніків і мікросхемних квантових пристроїв обіцяє мініатуризувати налаштування телепортації, але масштабованість залишається основним інженерним викликом.

Супутникове телепортування

У 2016–2016 рр. було позначено вершники, які досягають квантової телепортації з наземної станції до супутника та навпаки. Ці тести використовували джерело знезараження, що заплутана з вимірюваннями дзвінка, що виконуються на землі. супутник потім відреставрував класичне інформацію для реконструкції держави. Результати підтвердили телепортацію на відстані до 1,400 км з показниками вище 80%. Майбутні проекти спрямовані на створення мережі декількох супутників, щоб увімкнути глобальну квантову телепортацію— ключовий крок до всесвітньої квантової мережі.

Майбутнє квантової телепортації

Як технологія зрілих, квантова телепортація переходить з лабораторних демонстрацій до реальної інфраструктури світу. Європейський квантовий інтернет- альянс, U.S. Департамент плану енергоресурсів для квантового інтернету, та квантових експериментів Китаю в космічній шкалі (QUES) програма є все інвестування в телепортаційних мереж. Протягом десятиріччя ми можемо бачити перші інтегровані квантові мережі, що зв'язують кілька міст, використовуючи телепортацію для підключення квантових комп'ютерів та датчиків. Телепортація також грає роль у квантовому сенсі, що дозволяє мережі атомних годинників з неробочною стабільністю, а також в фундаментальних випробуваннях квантових механіків, таких як Belle Quality порушень з просторим поділом.

Поєднання енткутменту, вимірювання та класичної комунікації, яка визначає телепортацію, залишаться основною роботою квантових технологій. Під час телепортування макроскопічних об'єктів залишається наукова фантастика, можливість передачі квантових станів надійно відкриває двері для забезпечення дипломатії, розподіленого обчислення та глибокого розуміння Всесвіту.

Висновок

Квантове телепортування набагато більше теоретичної цікавості. Це практичний протокол, який дозволяє передавати квантову інформацію без переміщення частин носія. За допомогою важільневого заплутування та класичне спілкування вирішує фундаментальне обмеження теореми неклонування. Темп експериментального прогресу—з кілометрів волокон до міжконтинентальних супутникових посилань—демонструє доцільність та важливість телепортації. Виклики в нездатності, масштабності та екологічного декогеренція залишаються, але траєкторія є чіткою: квантова телепортація стане основою побудови наступного покоління комунікаційних та обчислювальних систем.

Для подальшого читання див. оригінальну пропозицію C. H. Bennett та ін., "Постановка невідомої квантової держави через подвійні класичні та Einstein-Podolsky-Rosen Channels"] (Фізічний огляд листів, 1993) та недавнього демонстрації квантової телепортації понад 143 км у вільному просторі J. Yin та ін., Натур 2020]. Експеримент супутникової телепортації з використанням Micius описано в Science (2017)[F7