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teletrasporto quantistico: le grandi scoperte dei fisici

teletrasporto quantistico è uno dei protocolli più importanti di informazione quantistica. Sulla base delle risorse fisiche di confusione, è l'elemento principale dei vari compiti di informazione e rappresenta una parte importante di tecnologie quantistiche che giocano un ruolo chiave nello sviluppo di quantum computing, networking e comunicazioni.

Dalla fantascienza alla scoperte scientifiche

E 'stato più di due decenni dopo la scoperta del teletrasporto quantistico, che è probabilmente una delle conseguenze più interessanti ed emozionanti di "stranezza" della meccanica quantistica. Prima di queste sono state fatte grandi scoperte, questa idea apparteneva al regno della fantascienza. Inventato nel 1931 da Charles H. Fort termine "teletrasporto" allora è stato usato per descrivere il processo mediante il quale il corpo e gli oggetti vengono trasferiti da un luogo all'altro, non è realmente superare la distanza tra loro.

Nel 1993 ha pubblicato un articolo che descrive il protocollo di informazione quantistica, chiamata "teletrasporto quantico", che ha condiviso alcuni dei sintomi sopra elencati. Incognita stato di un sistema fisico viene misurato e successivamente riprodotta o "re-going" nel sito remoto (gli elementi fisici del sistema originale rimangono in posizione di trasferimento). Questo processo richiede i mezzi classici di comunicazione ed elimina comunicazione superluminale. Si richiede una vita di confusione. Infatti, teletrasporto può essere visto come un protocollo di informazione quantistica che dimostra più chiaramente la natura della confusione: senza la presenza di uno stato di trasferimento non sarebbe possibile nell'ambito delle leggi che descrivono la meccanica quantistica.

Teletrasporto ha svolto un ruolo attivo nello sviluppo della scienza dell'informazione. Da un lato, si tratta di un protocollo concettuale, che svolge un ruolo cruciale nello sviluppo di un quanto formale, teoria dell'informazione, e dall'altra si tratta di una componente fondamentale di molte tecnologie. Il ripetitore quantistico – un elemento chiave della comunicazione a lunga distanza. interruttori quantistica teletrasporto, calcolo basato su misure e rete quantistica – sono tutti suoi derivati. È usato come un semplice strumento per lo studio di "estrema" della fisica, su curve temporanee e l'evaporazione dei buchi neri.

Oggi teletrasporto quantico confermata nei laboratori di tutto il mondo utilizzando una varietà di substrati e tecnologie, comprese qubits fotonici, risonanza magnetica nucleare, modi ottici, gruppi di atomi, gli atomi intrappolati e sistemi di semiconduttori. Risultati eccellenti sono stati raggiunti nel campo di teletrasporto prossimi esperimenti con satelliti. Inoltre, sono stati fatti tentativi di scalare fino a sistemi più complessi.

teletrasporto di qubit

teletrasporto quantistico è stato descritto per i sistemi a due livelli, i cosiddetti qubit. Protocollo considerando due parti remote, chiamate Alice e Bob, che condividono qubit 2, A e B sono in stato entangled puro, chiamato anche coppia di Bell. All'ingresso di Alice dato un'altra qubit e la cui ρ condizione è sconosciuta. Si esegue quindi una misurazione quantistica congiunta, chiamata la scoperta di Bell. Trasporta una e A in uno dei quattro stati di Bell. Come risultato, lo stato dell'ingresso di qubit misurata Alice e Bob scompare B qubit contemporaneamente proiettata su P k ρP k. Nell'ultimo protocollo passo Alice trasmette un risultato classico della misurazione Bob, che applica Pauli P k operatore per ripristinare il ρ originale.

Lo stato iniziale di un qubit Alice è considerata anonima, perché altrimenti il protocollo è ridotto alla sua misura remota. Inoltre, essa può essere parte di un sistema composito più ampio, in comune con un terzo (in questo caso teletrasporto successo tutti richiede correlazioni riproduzione con questo terzo).

Un tipico esperimento di teletrasporto quantistico prende stato originale puro e appartenenti ad un alfabeto limitato, per esempio, sei poli della sfera Bloch. In presenza di qualità decoerenza dello stato ricostruito può essere espressa quantitativamente preciso teletrasporto F ∈ [0, 1]. Questa precisione tra stati di Alice e Bob, come media di tutti i risultati del rilevamento della campana e l'alfabeto originale. Per piccoli valori della precisione dei metodi di esistere, consentendo di teletrasporto imperfetta, senza risorse intricata. Ad esempio, Alice può misurare direttamente lo stato originale con l'invio di Bob per la preparazione dello stato risultante. Questa strategia di misurazione di formazione denominato "teletrasporto classica." Esso ha una precisione massima di F class = 2/3 per ogni stato di input, l'alfabetica equivalente condizioni reciprocamente imparziali come la sfera Bloch sei poli.

Così, una chiara indicazione dell'uso delle risorse quantistica è un valore di precisione F> classe F.

Non un singolo qubit

Secondo fisica quantistica, teletrasporto di qubit non è limitato, può includere un sistema multi-dimensionale. Per ogni misura finita d può essere formulato teletrasporto schema ideale utilizzando base al massimo vettori ingarbugliate statali che possono essere ottenuti da un dato stato massimo impigliato e una base {U k} operatori unitari soddisfano tr (U † j U k) = dδ j, k . Tale protocollo può essere costruito per qualsiasi finiti spazio di Hilbert r. N. Sistemi variabili discrete.

Inoltre, teletrasporto quantistico può applicare a sistemi con spazio infinito Hilbert, chiamati sistemi continuamente variabile. Di norma, sono realizzati da modi bosoni ottici, il campo elettrico che può essere descritta operatori quadratura.

principio di velocità e l'incertezza

Qual è la velocità di teletrasporto quantistico? Le informazioni vengono trasmesse ad una velocità simile alla velocità di trasmissione dello stesso numero di classici – possibilmente con la velocità della luce. In teoria, si può quindi essere utilizzato, come classica non può – per esempio, nel campo dell'informatica quantistica, in cui sono disponibili i dati solo al destinatario.

Ha teletrasporto quantistico viola il principio di indeterminazione? In passato, l'idea di teletrasporto non è davvero preso sul serio dagli studiosi, perché si credeva che viola il principio del divieto di qualsiasi processo di misurazione o di scansione per estrarre tutte le informazioni atomo o un altro oggetto. In conformità con il principio di indeterminazione, più precisa l'oggetto viene esaminato, quanto più è influenzato dal processo di scansione fino si raggiunge un punto in cui lo stato originale dell'oggetto disturbato a tal punto che più non si può ottenere informazioni sufficienti per creare una replica. Sembra convincente: se una persona non è in grado di estrarre le informazioni dall'oggetto di creare copie perfette, quest'ultimo non può essere fatto.

Quantum Teletrasporto for Dummies

Ma i sei scienziati (Charles Bennett, Zhil Brassar, Claude Crépeau, Richard Dzhosa, Asher Peres, e Uilyam Vuters) hanno trovato un modo per aggirare questa logica, utilizzando una funzionalità celebre e paradossale della meccanica quantistica noto come Einstein-Podolsky-Rosen. Hanno trovato un modo per analizzare l'oggetto informazioni teletrasportato A, e la parte rimanente non testato tramite l'effetto di trasferimento altri oggetti a contatto con A non rispettare.

Successivamente, applicando all'esposizione C informazione scansita dipendente può essere inserito nello stato A per la scansione. E stesso non è nelle stesse condizioni come il processo di scansione invertita, così realizzato è teletrasporto, non replica.

La lotta per la gamma

  • Il primo teletrasporto quantistico ha avuto luogo nel 1997 quasi contemporaneamente da scienziati dell'Università di Innsbruck e l'Università di Roma. Durante l'esperimento fonte fotone avente una polarizzazione, e uno di una coppia di fotoni entangled stata modificata in modo che il secondo fotone di polarizzazione originale ricevuto. Così entrambi i fotoni sono distanziati l'uno dall'altro.
  • Nel 2012, ci fu un teletrasporto quantistico regolare (Cina Università di Scienza e Tecnologia) attraverso il lago alpino ad una distanza di 97 km. Un team di scienziati provenienti da Shanghai guidati da Juan Iinem è riuscito a sviluppare un meccanismo di suggestione che ha permesso fascio con precisione mirata.
  • Nel mese di settembre, un teletrasporto quantico record su 143 km è stata effettuata nello stesso anno. scienziati austriaci presso l'Accademia delle Scienze d'Austria e l'Università di Vienna sotto la direzione di Antona Tsaylingera ha trasmesso con successo stati quantistici tra le due isole Canarie di La Palma e Tenerife. L'esperimento ha usato due linee di comunicazione ottica a cielo aperto, kvantumnaya e classica, frequenza polarizzazione incorrelata aggrovigliato coppia di sorgenti fotoni, sverhnizkoshumnye rivelatori di singoli fotoni e sincronizzazione dell'orologio frizione.
  • Nel 2015, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology per la prima volta effettuato il trasferimento di informazioni su una distanza di più di 100 km di fibra ottica. Ciò è stato reso possibile grazie al rilevatore di fotoni creato istituto usando nanofili superconduttori di siliciuro di molibdeno.

E 'chiaro che l'ideale di un sistema quantistico o la tecnologia non esiste ancora e le grandi scoperte del futuro deve ancora venire. Tuttavia, possiamo cercare di identificare possibili candidati per applicazioni specifiche di teletrasporto. ibridazione Adatto fornito loro base costante e metodi possono fornire il futuro più promettente per il teletrasporto quantistico e le sue applicazioni.

brevi distanze

Teletrasporto una breve distanza (1 m) come sottosistema calcolo quantistico dispositivi semiconduttori promettenti, il migliore dei quali è un diagramma di QED. In particolare, qubit superconduttori transmonovye può garantire trucioli teletrasporto deterministico e preciso. Essi consentono anche un flusso diretto in tempo reale, che sembra problematico su chip fotonici. Inoltre, prevedono l'un'architettura più scalabile, e una migliore integrazione delle tecnologie esistenti rispetto ad approcci precedenti, come ioni intrappolati. Attualmente, l'unico inconveniente di questi sistemi apparentemente è il loro tempo di coerenza limitato (<100 ms). Questo problema può essere risolto utilizzando integrazione QED con circuiti semiconduttori rotazione celle di memoria d'insieme (azoto sostituito con vacanti o cristalli drogati con elementi delle terre rare), che può fornire un lungo tempo di coerenza del quantum di memorizzazione dei dati. Attualmente, questa implementazione è una questione di maggiore impegno della comunità scientifica.

Link Città

Us Teleport alla scala della città (alcuni chilometri) potrebbero essere sviluppati utilizzando i modi ottici. Al sufficientemente bassa perdita, questi sistemi forniscono alta velocità e larghezza di banda. Essi possono essere estese da implementazioni tavolo ai sistemi medio raggio operanti via etere o fibra ottica, con possibile integrazione con un insieme di memoria quantistica. Su lunghe distanze, ma con velocità inferiore può essere raggiunto da un approccio ibrido o sviluppando i più ripetitori basata su processi non gaussiani.

telecomunicazione

Lunga distanza teletrasporto quantistico (oltre 100 km) è un'area attiva, ma soffre ancora un problema aperto. qubit polarizzazione – i migliori vettori per teletrasporto bassa velocità su grandi linee in fibra ottica di comunicazione e attraverso l'aria, ma al momento il protocollo è un probabilistico causa del rilevamento incompleto Bella.

Sebbene teletrasporto probabilistica e entanglement sono adatti per applicazioni quali la distillazione di entanglement e crittografia quantistica, ma è chiaramente diversa dalla comunicazione in cui le informazioni di ingresso deve essere completamente conservato.

Se accettiamo questa natura probabilistica, la realizzazione del satellite sono alla portata delle moderne tecnologie. In aggiunta all'integrazione di metodi di monitoraggio, il problema principale sono le alte perdite causate dalla diffusione del fascio. Questo può essere superato in una configurazione in cui entanglement è distribuito dal satellite al telescopio terrestre con una grande apertura. Assumendo apertura satellitare di 20 cm a 600 km di altezza e 1 m telescopio apertura a terra, ci si può aspettare circa 75 dB di perdita in un canale downlink che è inferiore a 80 dB perdita a livello del suolo. L'attuazione del "satellite terra" o "satellite compagno" sono più complesse.

memoria quantistica

utilizzo futuro di teletrasporto come parte di una rete scalabile è direttamente correlata alla sua integrazione con memoria quantistica. Quest'ultimo deve avere eccellente in termini di interfaccia efficienza di conversione "radiazione-materia', una precisione di registrazione e la lettura, il tempo e la capacità di memorizzazione, ad alta velocità e capacità di stoccaggio. Prima di tutto permette di usare i ripetitori per migliorare la comunicazione ben oltre il trasferimento diretto utilizzando i codici di correzione di errore. Lo sviluppo di una buona memoria quantistica permetterebbe non solo di distribuire entanglement e comunicazione di rete teletrasporto, ma anche collegato ad elaborare le informazioni memorizzate. In definitiva, questo potrebbe trasformarsi in una rete di distribuzione a livello internazionale computer quantistico o una base per il futuro di Internet quantistica.

sviluppi promettenti

formazioni nucleari tradizionalmente considerati attraente a causa della loro conversione efficiente della "luce-materia" e loro periodi millisecondo di stoccaggio, che può essere fino a 100 ms necessarie per trasmettere la luce globale. Tuttavia, gli sviluppi più avanzati sono ora attese sulla base dei sistemi di semiconduttori, in cui effetti eccellenti insieme memoria quantistica direttamente integrato con l'architettura scalabile di circuito QED. Questa memoria può non solo prolungare il tempo di coerenza circuito QED, ma anche per fornire l'interfaccia ottica microonde per interconversione di telecomunicazione e di chip fotoni ottici microonde.

Così, le future scoperte di scienziati nel campo di Internet quantistica sono suscettibili di essere basata sulla comunicazione ottica a lunga distanza, unità di semiconduttori coniugati per l'elaborazione dell'informazione quantistica.