Kvantteleportering

Kvantteleportation  är överföringen av ett kvanttillstånd över ett avstånd med hjälp av ett intrasslat par separerat i rymden och en klassisk kommunikationskanal , där tillståndet förstörs vid utgångspunkten under mätningen och återskapas vid mottagningspunkten.

Termen etablerades tack vare en artikel publicerad 1993 [1] i tidskriften " Physical Review Letters ", som beskriver vilken typ av kvantfenomen som föreslås kallas "teleporting" ( engelska  teleportering ) och hur det skiljer sig från " teleportation ". "populär inom science fiction.

Kvantteleportering överför inte energi eller materia över ett avstånd. Det fantastiska konceptet med teleportation kommer från en specifik tolkning av experimentet: ”det initiala tillståndet för partikel A efter allt som har hänt förstörs. Det vill säga att staten inte kopierades, utan överfördes från en plats till en annan.

Beskrivning av experimentet

Vid implementering av kvantteleportering är det, förutom att överföra information via en kvantkanal, också nödvändigt att överföra ytterligare information som är nödvändig för att läsa ett meddelande via en klassisk kanal. Einstein-Podolsky-Rosen- korrelationerna som är karakteristiska för kvanttrasslade partiklar används för att överföra "kvantdelen" , och vilken konventionell kommunikationskanal som helst är lämplig för att överföra klassisk information.

För enkelhetens skull, låt oss betrakta ett kvantsystem med två möjliga tillstånd och (till exempel projektionen av en elektrons eller fotons spinn på en given axel). Sådana system kallas ofta för qubits . Metoden som beskrivs nedan är dock lämplig för att överföra tillståndet för vilket system som helst som har ett ändligt antal tillstånd.

Låt avsändaren ha partikel A, som är i ett godtyckligt kvanttillstånd , och han vill överföra detta kvanttillstånd till mottagaren, det vill säga försäkra sig om att mottagaren har partikel B till sitt förfogande i samma tillstånd. Med andra ord är det nödvändigt att förmedla förhållandet mellan två komplexa tal och (med maximal noggrannhet). Observera att huvudmålet här är att förmedla information inte så snabbt som möjligt, utan så exakt som möjligt . För att uppnå detta mål tas följande steg.

1. Sändaren och mottagaren skapar ett par kvanttrasslade (till exempel två qubits i Bell-tillståndet ) C och B i förväg, där C kommer till sändaren och B till mottagaren. Eftersom dessa partiklar är intrasslade, har var och en av dem inte sin egen vågfunktion (tillståndsvektor), utan hela paret (eller snarare de frihetsgrader vi är intresserade av) beskrivs av en enda fyrdimensionell tillståndsvektor .
2. Kvantsystemet av partiklarna A och C har fyra tillstånd, dock kan vi inte beskriva dess tillstånd med en vektor – endast ett system av tre partiklar A, B, C har ett rent (fullständigt definierat) tillstånd. När avsändaren gör en mätning som har fyra möjliga utfall, över ett system av två partiklar A och C, får han ett av de 4 egenvärdena för den uppmätta storheten. Eftersom systemet av tre partiklar A, B, C under denna mätning kollapsar till något nytt tillstånd, och tillstånden för partiklarna A och C blir helt kända, förstörs intrasslingen och partikel B befinner sig i ett visst kvanttillstånd.
3. Det är i detta ögonblick som "överföringen" av "kvantdelen" av information äger rum. Det är dock fortfarande omöjligt att återställa den överförda informationen: mottagaren vet att tillståndet för partikel B på något sätt är relaterat till tillståndet för partikel A, men vet inte exakt hur !
4. För att ta reda på detta är det nödvändigt att sändaren kommunicerar resultatet av sin mätning till mottagaren över den vanliga klassiska kanalen (som förbrukar två bitar som motsvarar AC-hooked state-läget mätt av sändaren). Enligt kvantmekanikens lagar visar det sig att, med resultatet av en mätning utförd på ett par partiklar A och C, och plus partikel B intrasslad med C, kommer mottagaren att kunna utföra den nödvändiga omvandlingen på tillståndet för partikel B och återställ det ursprungliga tillståndet för partikel A.

Fullständig överföring av information kommer att utföras först efter att mottagaren har tagit emot uppgifterna via båda kanalerna. Innan resultatet tas emot på den klassiska kanalen kan mottagaren inte säga något om det sända tillståndet.

Det är i grunden omöjligt att fånga upp den överförda informationen; om en "inkräktare" försöker följa utvecklingen av ett intrasslat par B och C, då kommer han omedelbart att förstöra dess intrassling.

Experimentell implementering

• Experimentell implementering av kvantteleportering av polarisationstillståndet för en foton utfördes 1997 nästan samtidigt av grupper av fysiker ledda av Anton Zeilinger ( Universitetet i Innsbruck ) [2] och Francesco de Martini ( Universitetet i Rom ) [3] .
• I tidskriften Nature den 17 juni 2004 tillkännagavs den framgångsrika experimentella observationen av kvantteleportering av atomens kvanttillstånd av två forskargrupper samtidigt: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 Arkiverad 15 november , 2006 på Wayback Machine kalciumatomjon) och MDBarrett et al., Nature 429, 737-739 Arkiverad 15 november 2006 på Wayback Machine ( baryllium atom ion qubit teleportation ). Trots det ökade intresset för media kan dessa experiment knappast kallas ett genombrott: snarare är det bara ytterligare ett stort steg mot att skapa kvantdatorer och förverkliga kvantkryptografi .
• 2006 genomfördes för första gången teleportering mellan objekt av olika natur - laserstrålningskvanta och cesiumatomer . Det framgångsrika experimentet utfördes av en forskargrupp från Niels Bohr Institutet i Köpenhamn . [fyra]
• Den 23 januari 2009 lyckades forskare för första gången teleportera en jons kvanttillstånd med en meter. [5] [6]
• Den 10 maj 2010, i ett experiment som sattes upp av fysiker från University of Science and Technology i Kina och Tsinghua University, överfördes en fotons kvanttillstånd över 16 kilometer. [7] [8]
• Under 2012 lyckades kinesiska fysiker sända 1 100 intrasslade fotoner över ett avstånd av 97 kilometer på 4 timmar. [9] [10]
• I september 2012 satte fysiker från universitetet i Wien och österrikiska vetenskapsakademin ett nytt rekord i kvantteleportation - 143 kilometer [11]
• I en artikel publicerad den 21 september 2014 meddelade en grupp forskare att de lyckades kvantteleportera en foton i en optisk fiber till ett rekord (för en optisk fiber) avstånd - 25 kilometer [12] [13] [14] [ 15] .
• I september 2015 lyckades forskare från US National Institute of Standards and Technology teleportera fotoner över fiber över ett avstånd på över 100 km. Under experimentet användes en enfotondetektor med supraledande kablar baserad på molybdensilicid vid en temperatur nära absolut noll [16] .
• I juni 2017 utförde kinesiska forskare kvantteleportering över ett avstånd på över 1200 kilometer [17] [18] .
• År 2020 kunde ett team av forskare från University of Chicago bevisa möjligheten av omedelbar överföring av ett kvanttillstånd över långa avstånd. Forskarna kunde överföra ett kvanttillstånd över 44 km med mer än 90 % noggrannhet över fiberoptiska nätverk liknande de som ligger till grund för det befintliga Internet [19] .

Se även

• kvantdator
• kvantinformation
• kvantalgoritm
• kvantkryptografi
• Ingen kloningssats
• Ansible
• Mo Tzu (satellit)
• Protokoll för Bennett-Brassard-Crepeaux-Jozhes-Perez-Wutters

Anteckningar

1. ↑ Bennett C., Bennett C. H. , Brassard G. , Crépeau C. , Jozsa R. , Peres A. , Wootters W. Teleportering av ett okänt kvanttillstånd via dubbla klassiska och Einstein-Podolsky-Rosen-kanaler  // Phys . Varv. Lett. - [Woodbury, NY, etc.] : American Physical Society , 1993. - Vol. 70, Iss. 13. - P. 1895-1899. — ISSN 0031-9007 ; 1079-7114 ; 1092-0145 - doi:10.1103/PHYSREVLETT.70.1895 - PMID:10053414
2. ↑ Naturen 390 . Hämtad 11 augusti 2009. Arkiverad från originalet 29 oktober 2009. (obestämd)
3. ↑ Phys. Rev. Lett. 80, 1121-1125 (1998) ( arXiv : quant-ph/9710013 )
4. ↑ Första kvantteleportationen mellan ljus och materia  (  5 oktober 2006). Arkiverad från originalet den 5 juni 2011.
5. ↑ Fysiker teleporterar joner per meter för första gången. Lenta.ru  (engelska)  (26 januari 2009). Arkiverad från originalet den 31 januari 2009. Hämtad 1 juni 2009.
6. ↑ pressmeddelande på webbplatsen för Joint Quantum Institute  (eng.)  (23 januari 2009). Arkiverad från originalet den 20 mars 2009. Hämtad 1 juni 2009.
7. ↑ Kvantteleportering under 16 kilometer utfördes. Compulenta.ru  (ryska)  (20 maj 2010). Arkiverad från originalet den 13 januari 2012. Hämtad 21 maj 2010.
8. ↑ Experimentell kvantteleportation i fritt rymd  ( 16 maj 2010). Arkiverad från originalet den 22 augusti 2011.
9. ↑ Fotoner teleporterade till ett rekordavstånd Lenta.ru  (ryska)  (12 maj 2012). Arkiverad från originalet den 14 maj 2012. Hämtad 14 maj 2012. ( arXiv : quant-ph/1205.2024 )
10. ↑ Juan Yin et al. Kvantteleportering och intrasslingsdistribution över 100-kilometers fria utrymmeskanaler   // Nature . - 2012. - Vol. 488.-S. 185-188. - doi : 10.1038/nature11332 .
11. ↑ Nytt rekord för kvantteleportering - 143 kilometer cybersecurity.ru  (ryska)  (12 augusti 2012). Arkiverad från originalet den 7 september 2012. Hämtad 6 september 2012.
12. ↑ Kvantteleportering från en telekomvåglängdsfoton till ett kvantminne i fast  tillstånd . Naturfotonik (21 september 2014).
13. ↑ Kvantteleportering från en telekomvåglängdsfoton till ett kvantminne i fast  tillstånd . Hämtad 18 november 2016. Arkiverad från originalet 18 november 2016.
14. ↑ Kvantteleportering på längre avstånd uppnådd  (  21 september 2016). Arkiverad från originalet den 13 januari 2017. Hämtad 18 november 2016.
15. ↑ Kvantteleportering över en sträcka på 25 km har uppnåtts av forskare  (ryska) , Naked Science (22 september 2014). Arkiverad från originalet den 19 november 2016. Hämtad 18 november 2016.
16. ↑ Forskare har teleporterat fotoner mer än 100 km - IA REGNUM . Hämtad 24 september 2015. Arkiverad från originalet 25 september 2015. (obestämd)
17. ↑ Satellitbaserad fotonintrassling fördelad över 1 200  kilometer . EurekAlert!. Hämtad 18 juni 2017. Arkiverad från originalet 28 juni 2017.
18. ↑ I Kina utfördes kvantteleportering över en sträcka av 1,2 tusen kilometer . Arkiverad från originalet den 10 december 2019. Hämtad 18 juni 2017.
19. ↑ 44 km kvantteleportation uppnådd i USA . Arkiverad från originalet den 4 januari 2021. Hämtad 4 januari 2021.

Litteratur

• Teleportation: Leap into the Impossible / David Darling. - Moskva: Eksmo, 2008. - 300 sid. — (Upptäckten som skakade världen). - 3100 exemplar.  - ISBN 978-5-699-23980-1 .
• Baumester D., Eckert A., Zeilinger A. Fysik av kvantinformation. M.: Postmarket, 2002. 376 sid. Kapitel 3
• Kaye F., Laflame R., Mosca M. Introduktion till Quantum Computing. - Izhevsk: RHD, 2009. - 360 sid.
• Kilin S.Ya. Kvanta och information / Framsteg inom optik. - 2001. - Vol. 42. - S. 1-90.
• Kilin S. Ya. Quantum information / Uspekhi Physical Nauk. - 1999. - T. 169. - C. 507-527. [1] Arkiverad 20 juli 2018 på Wayback Machine
• Belokurov VV, Timofeevskaya OD, Khrustalev OA Kvantteleportering är ett vanligt mirakel. Moskva, Izhevsk: Publishing House: Regular and Chaotic Dynamics, 2000. 172 sid. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Länkar

• Mensky M. B. Kvantmekanik: nya experiment, nya tillämpningar och nya formuleringar av gamla frågor
• Föreläsningar om quantum computing (introduktion, superdense coding, quantum teleportation, Simon and Shor-algoritmer) som en del av kursen " Modern Problems of Theoretical Computer Science Archived October 15, 2008 at the Wayback Machine "
• Kvantteleportering över ett avstånd på en meter har experimentellt bekräftats. Arkiverad kopia av 27 januari 2009 på Wayback Machine
• Kvantteleportering har flyttat fotoner ett rekordstort avstånd Arkiverad 13 april 2021 på Wayback Machine
• Forskare förklarade vilken typ av teleportering som implementeras i Ryssland Arkivkopia av 23 juni 2016 på Wayback Machine
• Fysikern Alexander Oshchepkov om utvecklingen av teleporteringsteknik till 2035

I bibliografiska kataloger	BNF : 135068541 GND : 4523321-4 J9U : 987007549397105171 LCCN : sh2005003424 SUDOC : 050219189