انتقال اطلاعات کوانتومی: اکتشافات بزرگ از فیزیکدانان

انتقال اطلاعات کوانتومی یکی از پروتکل های مهم در اطلاعات کوانتومی است. بر اساس منابع فیزیکی از سردرگمی، آن را عنصر اصلی از وظایف اطلاعات مختلف است و نشان دهنده بخش مهمی از فن آوری های کوانتومی نقش کلیدی در توسعه بیشتر از محاسبات کوانتومی، شبکه و ارتباطات است.

از داستان های علمی تخیلی به کشفیات علمی

این بیش از دو دهه از زمان کشف، انتقال اطلاعات کوانتومی، که احتمالا یکی از پیامدهای جالب ترین و هیجان انگیز از "غرابت" مکانیک کوانتومی است. قبل از این کشف بزرگ ساخته شد، این ایده به قلمرو داستان های علمی تخیلی بود. برای اولین بار در سال 1931 توسط چارلز اچ فورت اصطلاح "انتقال از راه دور" را اختراع کرده است از برای توصیف فرایند که در آن بدن و اشیاء از یک مکان به مکان دیگری منتقل استفاده شده است، آن است که واقعا غلبه بر فاصله بین آنها نیست.

در سال 1993 او یک مقاله توصیف پروتکل اطلاعات کوانتومی، به نام "انتقال اطلاعات کوانتومی"، که برخی از علائم ذکر شده در بالا را به اشتراک گذاشته منتشر شده است. این حالت ناشناس از یک سیستم فیزیکی اندازه گیری می شود و پس از آن تکثیر، و یا "دوباره رفتن" در سایت از راه دور (از عناصر فیزیکی از سیستم اصلی در انتقال محل باقی می ماند). این فرآیند نیاز به روشهای کلاسیک ارتباطات و ارتباطات superluminal بین می برد. از آن نیاز به یک زندگی از سردرگمی است. در واقع، انتقال از راه دور می تواند به عنوان یک پروتکل از اطلاعات کوانتومی که به وضوح نشان می دهد که طبیعت از سردرگمی مشاهده: بدون حضور یک دولت از انتقال نمی ممکن در چارچوب قوانین است که توصیف مکانیک کوانتومی باشد.

انتقال از راه دور یک نقش فعال در توسعه علم اطلاعات ایفا کرده است. از یک طرف، این یک پروتکل مفهومی، که نقش مهمی در توسعه یک کوانتوم رسمی دارد تئوری اطلاعات، و از سوی دیگر آن را به یک جزء اساسی از بسیاری از فن آوری است. تکرار کوانتومی - یک عنصر کلیدی از ارتباط از راه دور. انتقال از راه دور سوئیچ کوانتومی، محاسبات بر اساس اندازه گیری و شبکه کوانتومی - همه مشتقات آنها هستند. آن را به عنوان یک ابزار ساده برای مطالعه "شدید" فیزیک، در منحنی موقت و تبخیر استفاده از سیاه چاله ها.

امروز، انتقال اطلاعات کوانتومی در آزمایشگاه های سراسر جهان با استفاده از انواع بسترهای و فن آوری، از جمله کیوبیت های فوتونی، رزونانس مغناطیسی هسته ای، حالت های نوری، گروه از اتم، اتم به دام افتاده و سیستم های نیمه هادی را تایید کرد. نتایج برجسته در محدوده انتقال از راه دور آزمایش های آینده با ماهواره به دست آمده است. علاوه بر این، تلاش به مقیاس تا سیستم های پیچیده تر ساخته شد.

انتقال از راه دور از کیوبیتها

انتقال اطلاعات کوانتومی برای اولین بار در سیستم های دو سطح، کیوبیتها به اصطلاح توصیف شد. پروتکل با توجه دو طرف از راه دور، به نام آلیس و باب، که کیوبیت 2 به اشتراک بگذارید، A و B در حالت گرفتار خالص، همچنین جفت بل نامیده می شود. در ورود به آلیس داده کیوبیت و دیگری که ρ وضعیت مشخص نیست. سپس آن را با یک اندازه گیری کوانتومی مشترک، به نام کشف بل. آن را حمل و A در یکی از چهار ایالت بل. به عنوان یک نتیجه، دولت ورودی از کیوبیت زمانی که آلیس اندازه گیری بین می رود و باب B به طور همزمان کیوبیت در P ^† _ک ρP _K بینی شده _است. در پروتکل آخرین مرحله آلیس در نتیجه کلاسیک اندازه گیری آن باب، که پائولی P _K اپراتور امر به بازگرداندن ρ اصلی انتقال می دهد.

حالت اولیه از یک کیوبیت آلیس در نظر گرفته ناشناس، زیرا در غیر این پروتکل به اندازه گیری از راه دور آن کاهش می یابد. علاوه بر این، ممکن است خود را بخشی از یک سیستم کامپوزیت بزرگتر، مشترک با شخص ثالث (در این مورد انتقال از راه دور موفق تمام نیاز همبستگی پخش با این شخص ثالث).

یک تجربه معمول از انتقال اطلاعات کوانتومی را طول می کشد حالت اصلی خالص و متعلق به یک الفبای محدود شده است، به عنوان مثال، شش قطب از حوزه بلوخ. در حضور کیفیت واهمدوسی دولت بازسازی می توان بیان کمی دقیق ∈ انتقال F [0، 1]. این دقت بین کشورهای آلیس و باب را، بیش از همه نتایج تشخیص بل و الفبای اصلی به طور متوسط. برای مقادیر کوچک از دقت و صحت روش وجود داشته باشد، اجازه می دهد برای انتقال از راه دور ناقص بدون منابع پیچیده. به عنوان مثال، ممکن است مستقیما آلیس حالت اصلی خود با ارسال باب برای آماده سازی دولت حاصل اندازه گیری کند. این استراتژی اندازه گیری آموزش به عنوان "انتقال از راه دور کلاسیک است." از آن است که حداکثر دقت F _کلاس = 2/3 برای هر دولت ورودی، به ترتیب حروف الفبا معادل شرایط متقابلا بی طرفانه مانند کره بلاخ شش قطب.

بنابراین، نشانه روشنی از استفاده از منابع کوانتومی یک مقدار دقت F> _کلاس ف _است.

نه یک کیوبیت

با توجه به فیزیک کوانتوم، انتقال از راه دور از کیوبیتها محدود نمی شود، آن را ممکن است شامل یک سیستم چند بعدی است. برای هر اندازه گیری محدود د می توان فرموله انتقال از راه دور طرح ایده آل با استفاده از اساس حداکثر بردار گرفتار دولت که ممکن است از یک حالت حداکثر گرفتار داده به دست آمده و به صورت {U _ک} اپراتورهای واحد رضایت ^{_{TR (U † J U K)}} = dδ J، K . از جمله یک پروتکل می تواند برای هر محدود هیلبرت فضای R. N. ساخته سیستم های متغیر گسسته.

علاوه بر این، انتقال اطلاعات کوانتومی می تواند به سیستم با فضای هیلبرت بی نهایت، به نام سیستم به طور مداوم متغیر اعمال می شود. به عنوان یک قاعده، آنها را با حالت های هیگز نوری، میدان الکتریکی است که می تواند توصیف اپراتورهای تربیع تحقق یابد.

سرعت و اصل عدم قطعیت

سرعت انتقال اطلاعات کوانتومی چیست؟ اطلاعات با سرعت شبیه به سرعت انتقال همان تعداد از کلاسیک منتقل می شود - احتمالا با سرعت نور. از لحاظ تئوری، آن را در نتیجه می تواند مورد استفاده قرار گیرد، چگونه کلاسیک نمی تواند - به عنوان مثال، در محاسبات کوانتومی، که در آن داده تنها به دریافت کننده در دسترس هستند.

آیا انتقال اطلاعات کوانتومی را نقض اصل عدم قطعیت؟ در گذشته، این ایده از انتقال از راه دور است که واقعا به طور جدی توسط دانشمندان نیست، چرا که اعتقاد بر این بود که آن را نقض اصل منع هرگونه اندازه گیری و یا اسکن فرآیند استخراج تمام اتم اطلاعاتی یا جسم دیگر است. با توجه به اصل عدم قطعیت، دقیق تر شی اسکن شده است، بیشتر از آن است که فرآیند اسکن را تحت تاثیر قرار تا زمانی که یک نقطه رسیده است که دولت اصلی از شی آشفته به حدی که می توانید اطلاعات کافی برای ایجاد یک ماکت به دست آورد. برای تلفن های موبایل قانع کننده: اگر یک فرد می تواند اطلاعات را از جسم استخراج نشده برای ایجاد نسخه کامل، دومی نمی تواند انجام شود.

انتقال اطلاعات کوانتومی برای Dummies

اما این شش دانشمندان (چارلز بنت، Zhil Brassar، کلود Crépeau، ریچارد Dzhosa، آشر پرز، و Uilyam Vuters) یک راه حل این منطق پیدا شده است، با استفاده از یکی از ویژگی های مشهور و متناقض از مکانیک کوانتومی شناخته شده به عنوان اینشتین-پودولسکی-روزن. آنها یک راه برای اسکن اطلاعات دوربری شی A، و بخش تست نشده باقی مانده از طریق اثر انتقال اشیاء دیگر در تماس با یک هرگز رعایت شده است.

پس از آن، با استفاده از به قرار گرفتن در معرض C اطلاعات اسکن وابسته را می توان به حالت A به اسکن وارد شده است. و خود را در همان شرایط به عنوان فرآیند اسکن معکوس نیست، در نتیجه به دست آمده انتقال از راه دور، نه تکرار است.

مبارزه برای محدوده

• اولین انتقال اطلاعات کوانتومی را در 1997 تقریبا به طور همزمان توسط دانشمندان دانشگاه اینسبروک و دانشگاه رم گرفت. در طول این آزمایش یک منبع فوتون داشتن یک قطبش، و یکی از یک جفت از فوتونهای درهمتنیده تغییر داده شده است به طوری که دوم فوتون قطبش اصلی دریافت کرده است. بنابراین هر دو فوتون از یکدیگر فاصله.
• در سال 2012، در فاصله 97 کیلومتر بود، انتقال اطلاعات کوانتومی به طور منظم (دانشگاه چین از علوم و فناوری) از طریق دریاچه کوهستانی وجود دارد. یک تیم از دانشمندان از شانگهای توسط Juan Iinem منجر موفق به توسعه یک مکانیزم مطرح است که اجازه پرتو دقیقا هدفمند.
• در ماه سپتامبر، انتقال اطلاعات کوانتومی رکورد در 143 کیلومتر از همان سال انجام شد. دانشمندان اتریشی از آکادمی علوم اتریش و دانشگاه وین در زیر جهت Antona در Tsaylingera با موفقیت کوانتومی بین دو جزایر قناری از لا پالما و تنریف منتقل می شود. این آزمایش با استفاده از دو خطوط ارتباطی نوری در باز، kvantumnaya و کلاسیک، فرکانس قطبش ناهمبسته درهم جفت از منابع فوتون، آشکارسازهای sverhnizkoshumnye تک فوتون و هماهنگ سازی ساعت کلاچ.
• در سال 2015، محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری برای اولین بار انتقال اطلاعات را در فاصله ی بیش از 100 کیلومتر از فیبر نوری ساخته شده است. این امکان به لطف این موسسه ایجاد آشکارساز فوتون با استفاده از نانوسیمهای ابررسانا به سیلیسید مولیبدن ساخته شده است.

روشن است که ایده آل از یک سیستم کوانتومی و یا فن آوری هنوز وجود ندارد و اکتشافات بزرگ از آینده هنوز در راه اند. با این وجود، ما می توانیم سعی کنیم به کاندیدا های احتمالی برای برنامه های کاربردی خاص از انتقال از راه دور. هیبریداسیون مناسب آنها را پایه منسجم ارائه شده و روش ممکن است در آینده امیدوار کننده ترین برای انتقال اطلاعات کوانتومی و برنامه های کاربردی آن ارائه نماید.

مسافت های کوتاه

انتقال از راه دور یک فاصله کوتاه (1 متر) به عنوان یک زیر سیستم محاسبات کوانتومی دستگاه های نیمه هادی امیدوار کننده، بهترین است که یک نمودار از QED است. به طور خاص، کیوبیت ابررسانا transmonovye می توانید تراشه انتقال قطعی و بسیار دقیق را تضمین کند. آنها همچنین اجازه می دهد جریان مستقیم در زمان واقعی، که به نظر می رسد مشکل در تراشه های فوتونیک. علاوه بر این، آنها یک معماری مقیاس پذیر تر، و ادغام بهتر از فن آوری های موجود نسبت به روش های قبلی، مانند یونهای به دام افتاده فراهم می کند. در حال حاضر، تنها نقطه ضعف این سیستم ظاهرا زمان همدوسی محدود خود را (<100 ms) است. این مشکل را می توان با استفاده از ادغام QED با مدارهای نیمه هادی چرخش سلول های حافظه گروه (نیتروژن جایگزین با جای خالی و یا کریستال دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب)، که می تواند مدت زمان طولانی برای انسجام کوانتومی از ذخیره سازی داده ارائه حل شده است. در حال حاضر، این پیاده سازی یک موضوع برای تلاش بیشتر از جامعه علمی است.

لینک شهرستان

ما به مقیاس شهرستان (چند کیلومتر) دوربری می تواند با استفاده از حالت های نوری توسعه یافته است. در از دست دادن اندازه کافی پایین، این سیستم ها ارائه سرعت بالا و پهنای باند. آنها را می توان از پیاده سازی دسکتاپ به سیستم با برد متوسط عامل بیش از هوا یا فیبر نوری، با ادغام ممکن است با مجموعه ای از حافظه کوانتومی افزایش یافته است. در مسافت های طولانی، اما با سرعت پایین تر را می توان با روش ترکیبی و یا در حال توسعه تکرار خوب بر اساس فرآیندهای غیر گاوسی به دست آورد.

ارتباط از راه دور

از راه دور، انتقال اطلاعات کوانتومی (بیش از 100 کیلومتر) یک منطقه فعال است، اما هنوز هم از یک مشکل باز رنج می برد. کیوبیت قطبش - بهترین حامل برای دوربری کم سرعت بیش از طولانی خطوط فیبر نوری ارتباطات و از طریق هوا، اما در حال حاضر پروتکل با توجه به تشخیص ناقص بلا احتمالاتی است.

اگرچه انتقال احتمالی و گرفتاری مناسب برای برنامه های کاربردی مانند تقطیر گرفتاری و رمزنگاری کوانتومی هستند، اما آن را به وضوح متفاوت از ارتباطات است که در آن اطلاعات ورودی باید به طور کامل حفظ شده است.

اگر ما این طبیعت احتمالاتی قبول، اجرای ماهواره در دسترس فن آوری های مدرن می باشد. علاوه بر یکپارچه سازی از روش های رهگیری، مشکل اصلی تلفات بالا ناشی از گسترش پرتو می باشد. این را می توان در یک پیکربندی که در آن گرفتاری است از ماهواره به تلسکوپ های زمینی دارای یک دیافراگم بزرگ توزیع غلبه بر. با فرض دیافراگم های ماهواره ای 20 سانتی متر در 600 ارتفاع کیلومتر و 1 متر تلسکوپ دیافراگم بر روی زمین، می توان حدود 75 دسی بل از دست دادن در یک کانال downlink است که کمتر از 80 دسی بل کاهش در سطح زمین انتظار می رود. اجرای "ماهواره" و یا "ماهواره ای همدم" پیچیده تر هستند.

حافظه کوانتومی

آینده استفاده از انتقال از راه دور به عنوان بخشی از یک شبکه مقیاس پذیر به طور مستقیم مربوط به ادغام آن با حافظه کوانتومی است. حالت دوم باید فوق العاده از نظر بهره وری رابط تبدیل "تابش ماده، دقت ضبط و خواندن، زمان و ظرفیت ذخیره سازی، سرعت بالا و ظرفیت ذخیره سازی است. اول از همه اجازه می دهد تا شما را به استفاده از تکرار برای بالا بردن ارتباط فراتر از انتقال مستقیم با استفاده از کدهای تصحیح خطا. توسعه یک حافظه کوانتومی خوب اجازه می دهد نه تنها برای توزیع گرفتاری و ارتباطات شبکه انتقال از راه دور، بلکه متصل به پردازش اطلاعات ذخیره می شود. در نهایت، این می تواند به یک شبکه ای از توزیع بین المللی تبدیل کامپیوتر کوانتومی و یا مبنایی برای اینترنت کوانتومی آینده است.

تحولات امیدوار کننده

گروه هسته ای به طور سنتی به دلیل تبدیل کارآمد خود را از "نور-ماده" و دوره میلی ثانیه خود را از ذخیره سازی، که می تواند تا 100 میلی ثانیه مورد نیاز برای انتقال نور در سطح جهانی است جذاب در نظر گرفته. با این حال، تحولات پیشرفته تر در حال حاضر بر اساس سیستم های نیمه هادی، که در آن چرخش عالی حافظه کوانتومی گروه به طور مستقیم با معماری مقیاس پذیر مدار QED یکپارچه انتظار می رود. این حافظه نه تنها می تواند تمدید زمان انسجام مدار QED، بلکه به ارائه رابط نوری-مایکروویو برای تبادلات مخابراتی و تراشه فوتونهای میکروویو نوری.

بنابراین، اکتشافها، نوآوریها آینده دانشمندان در زمینه اینترنت کوانتومی هستند به احتمال زیاد در ارتباطات نوری در مسافت های طولانی، واحد نیمه هادی کونژوگه برای پردازش اطلاعات کوانتومی استوار است.