טלפורטציה קוונטית: התגליות הגדולות של פיזיקאים

טלפורטציה קוונטית היא אחד הפרוטוקולים החשובים ביותר מידע קוונטי. בהתבסס על המשאבים הפיזיים של בלבול, הוא המרכיב העיקרי של משימות מידע שונים ומייצג חלק חשוב של טכנולוגיות הקוונטים לשחק תפקיד מפתח בהתפתחות נוספת של מחשוב קוונטי, רשתות ותקשורת.

כולל מדע בדיוני לגילויים מדעיים

זה כבר למעלה משני עשורים מאז גילוי טלפורטציה קוונטית, וזו כנראה אחת התוצאות המעניינות ביותר והמרגשות של "מוזרות" של מכניקת קוונטים. לפני אלה נעשו תגליות גדולות, הרעיון הזה היה שייך לתחום מדע בדיוני. ראשית המציא בשנת 1931 על ידי צ'ארלס ה Fort המונח "טלפורטציה" מאז נעשה שימוש כדי לתאר את התהליך שבו הגוף ואת החפצים מועברים ממקום אחד למשנהו, זה לא באמת להתגבר על המרחק ביניהן.

בשנת 1993 הוא פרסם מאמר המתאר את הפרוטוקול של מידע קוונטי, שנקרא "טלפורטציה קוונטית", שחלוק חלק מהתסמינים המפורטים לעיל. זה מצב לא ידוע של מערכת פיזיקלית נמדד ובהמשך לשכפל, או "מחדש הולך" באתר המרוחק (האלמנטים הפיסיים של המערכת המקורית להישאר העברה מקום). תהליך זה דורש האמצעי הקלסי של תקשורת ומונע תקשורת superluminal. זה דורש חיים של בלבול. למעשה, טלפורטציה ניתן לצפות כפרוטוקול של מידע קוונטים שרוב ממחיש היטב את אופיו של הבלבול: ללא הנוכחות של מצב של ההעברה לא תהיה אפשרית במסגרת החוקים המתארים את מכניקת הקוונטים.

טלפורטציה מלאה תפקיד פעיל בפיתוח המדע של מידע. מצד אחד, מדובר בפרוטוקול מושגית, אשר ממלא תפקיד מכריע בהתפתחות של קוונטים רשמית תורת אינפורמציה, ומצד השניים הוא רכיב בסיסי של טכנולוגיות רבות. מהדר הקוונטים - אלמנט מרכזי של תקשורת למרחקים ארוכים. מתגים הקוונטים טלפורטציה, החישוב מבוסס על מדידות רשת הקוונטים - כולם נגזרים ממנו. הוא משמש ככלי פשוט לחקר "קיצוני" של הפיזיקה, על עקומות זמני אידוי של חורים שחורים.

טלפורטציה קוונטית היום אישר במעבדות ברחבי העולם באמצעות מגוון מצעים וטכנולוגיות, כולל קווביטים פוטוניים, תהודה מגנטית גרעינית, מצבי אופטי, קבוצות של אטומים, אטומים לכודים ומערכות מוליכים למחצה. תוצאות יוצאות דופן הושגו הניסויים הקרובים מגוון טלפורטציה עם לוויינים. יתר על כן, נעשו ניסיונות בהיקף של עד למערכות מורכבות יותר.

טלפורטציה שלהם והיכולים

טלפורטציה קוונטית תוארה לראשונה על מערכות דו-מפלסי, את והיכולים שנקרא. פרוטוקול בהתחשב שני הצדדים מרחוק, שנקרא אליס ובוב, החולקים קיוביט 2, A ו- B נמצאים במצב סבוך טהור, המכונה גם זוג בל. בכניסה אליס נתון קיוביט אחר שמצבם ρ אינו ידוע. לאחר מכן הוא מבצע מדידת קוונטית משותפת, שנקרא גילוי בל. היא מבצעת ו- A באחת מארבע המדינות בל. כתוצאה מכך, המדינה קלט של קיוביט כשמודדים אליס נעלמת ובוב B קיוביט מוקרן בו זמנית על P ^† _k ρP _k. בפרוטוקול השלב האחרון אליס משדר תוצאה קלאסית של המדידה שלה בוב, אשר חל מפעילת _k פאולי P לשחזר את ρ המקורי.

המצב ההתחלתי של קיוביט אליס נחשב אלמוני, כי אחרת בפרוטוקול מצטמצם המדידה מרחוק שלה. בנוסף, הוא עצמו עשוי חלק ממערכת מרוכבים גדולה, משותפת עם צד שלישי (ב טלפורטציה מוצלח במקרה הזה כל דורש מתאמי השמעה עם צד שלישי זה).

ניסוי טיפוסי של טלפורטציה קוונטית לוקח למצבו המקורי טהור השתייכות האלפבית מוגבל, למשל, שישה הקטבים של כדור בלוך. בנוכחות איכות decoherence של המדינה המשוחזרת ניתן לבטא ∈ F טלפורטציה מדויק כמותית [0, 1]. הדיוק הזה בין המדינות של אליס ובוב, כממוצע של כל תוצאות זיהוי של בל האלפבית המקורי. עבור ערכים קטנים של הדיוק של שיטות קיימות, המאפשר טלפורטציה מושלם ללא משאב מסובך. לדוגמה, אליס עשויה למדוד ישירות למצבו המקורי על ידי שליחת בוב להכנת המדינה כתוצאה. אסטרטגיית מדידה-הכשרה זו המכונה "טלפורטציה קלאסית." יש לו דיוק מרבי של _כיתת F = 2/3 לכל מדינת קלט, אלפביתי השווה הדדית תנאים משוחדים כגון ספירת בלוך שישה עמודים.

לפיכך, סימן מובהק של השימוש במשאבי קוונטים הוא F ערך דיוק> _בכיתה ו _'.

לא קיוביט יחיד

על פי הפיזיקה הקוונטית, טלפורטציה של מחשב קוואנטום אינו מוגבל, הוא עשוי לכלול מערכת רב-ממדי. לכל ד מידה סופי אפשר לנסח טלפורטציה ערכה האידיאלית באמצעות בסיס וקטורי מדינה הסתבכו מקסימאלי אשר ניתן לקבל ממצב נתון הסתבך ומרבי בסיס _{{k U}} מפעילי יחידתי סיפוק ^{_{TR (U † j U k)}} = dδ j, k . ניתן לבנות פרוטוקול כזה עבור כל r במרחב סופי-הילברט. נ מערכות במשתנה בדידה.

יתר על כן, טלפורטציה קוונטית יכולה לחול על מערכות עם מרחב הילברט אינסופי, שנקראו מערכות-משתנות ללא הרף. ככלל, הם הבינו ידי מצבי בוזון אופטיים, השדה החשמלי אשר ניתן לתאר מפעילי נצב.

עיקרון מהיר וחוסר ודאות

מהי המהירות של טלפורטציה קוונטית? מידע מועבר במהירות דומה למהירות העברת המספר הזהה של קלסי - ואולי עם ממהירות האור. תיאורטית, זה יכול אפוא לשמש, איך קלסי לא יכול - למשל, מחשוב קוונטים, שבו הנתונים זמינים רק לנמען.

האם טלפורטציה קוונטית להפר עקרון אי הוודאות? בעבר, הרעיון של טלפורטציה הוא לא ממש נלקח ברצינות על ידי מלומדים, מכיוון שהוא האמין שהוא מפר את העיקרון אוסר כל תהליך מדיד או סריקה כדי לחלץ את כל אטום המידע או חפץ אחר. בהתאם לעיקרון אי-ודאות, האובייקט מדויק יותר נסרק, וככל שהיא מושפעת תהליך הסריקה עד לנקודה הזאת מגיעה כאשר המדינה המקורית של האובייקט מופרעת במידה כזו כי יותר לא ניתן להשיג מספיק מידע כדי ליצור העתק. זה נשמע משכנע: אם אדם לא יכול לחלץ מידע מן האובייקט כדי ליצור עותקים מושלמים, שהאחרון לא יכול להיעשות.

Quantum טלפורטציה for Dummies

אבל בשש מדענים (צ'רלס בנט, Zhil Brassar, קלוד Crépeau, ריצ'רד Dzhosa, אשר פרס, ואת Uilyam Vuters) מצאו דרך לעקוף את ההיגיון הזה, באמצעות התכונה חגגו הפרדוקסלי של מכניקת הקוונטים המכונה איינשטיין-פודולסקי-רוזן. הם מצאו דרך לסרוק את האובייקט שוגר מידע, ואת החלק הנותר נבדק באמצעות ההשפעה של אובייקטים אחרים העברה במגע עם לא לציית.

לאחר מכן, על ידי יישום למידע תלוי בחשיפת C סרוק ניתן להזין לתוך המדינה לסרוק. וזה עצמו אינו נמצא באותו מצב כמו תהליך הסריקה התהפכה, ובכך מושגת הוא טלפורטציה, לא שכפול.

המאבק על המגוון

• טלפורטציה קוונטית הראשון התקיים בשנת 1997, כמעט בו זמנית על ידי מדענים מאוניברסיטת אינסברוק ואוניברסיטת רומא. במהלך ניסוי מקור פוטון בעל קיטוב, ואחד זוג פוטונים שזורים שונה כך פוטון הקיטוב המקורי השני קבל. לפיכך הוא הפוטונים הם במרווחים זה מזה.
• בשנת 2012, חלה טלפורטציה קוונטית רגיל (סין אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה) דרך אגם אלפיני במרחק של 97 ק"מ. צוות של מדענים משנחאי בראשות חואן Iinem הצליח לפתח מנגנון מרמז כי מותר קרן מיקוד מדויק.
• רק בחודש שעבר פסק טלפורטציה קוונטית שיא על 143 קילומטר בוצעה באותה השנה. מדענים אוסטרים מהאקדמיה למדעים של אוסטריה ומאוניברסיטת וינה בניצוחו של שאנטונה Tsaylingera שידרה מצבים קוונטיים בהצלחה בין שני האיים הקנריים של La Palma ו טנריף. הניסוי נעשה שימוש בשני קווי תקשורת אופטיים בשטח הפתוח, kvantumnaya וקלסי, קיטוב מתואם לתדר סבוך זוג מקורות פוטונים, sverhnizkoshumnye גלאי פוטון יחיד וסנכרון שעון מצמד.
• בשנת 2015, חוקרים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בפעם הראשונה עשה העברת מידע במרחק של יותר מ 100 ק"מ של סיבים אופטיים. זה התאפשר הודות גלאי פוטון נוצר מוסד באמצעות ננו-חוטים מוליכי של silicide מוליבדן.

ברור כי האידיאל של מערכת קוונטית או הטכנולוגיה עדיין לא קיים ואת התגליות הגדולות של העתיד עוד לפנינו. אף על פי כן, אנחנו יכולים לנסות לזהות מועמדים אפשריים עבור יישומים ספציפיים של טלפורטציה. ההכלאה מתאימה להם ספקו בסיס עקבי ושיטות עשויות לספק בעתיד המבטיח ביותר עבור טלפורטציה קוונטית ושימושיה.

מרחקים קצרים

טלפורטציה למרחק קצר (1 מ ') בתור התקני מוליכים למחצה מבטיחים משנה חישוב קוונטים, למיטב שהינה דיאגרמה של QED. בפרט, קווביטים מוליכי transmonovye יכול להבטיח שבב טלפורטציה דטרמיניסטית ומדויק מאוד. הם גם מאפשרים זרימה ישירה של זמן אמת, אשר נראה בעייתי על שבבי פוטוניים. בנוסף, הם מספקים ארכיטקטורה מדרגית יותר, ואינטגרציה טובה יותר של טכנולוגיות קיימות לעומת גישות קודמות, כגון יונים לכודים. נכון לעכשיו, החסרון היחיד של מערכות אלה כנראה זמן הקוהרנטיות המוגבל שלהם (<100 ms). ניתן לפתור בעיה זו באמצעות שילוב QED עם מעגלים מוליכים למחצה לטוות תאי זיכרון אנסמבל (-להחליף חנקן עם משרות פנויות או קריסטל מסוממים עם אלמנטים הארץ נדיר), אשר יכול לספק זמן הקוהרנטיות ארוך עבור הקוונטים של אחסון נתונים. נכון לעכשיו, יישום זה הוא עניין מאמץ גדולה של הקהילה המדעית.

קישור סיטי

קשר טלפורט הסקאלה העיר (מספר הקילומטרים) ניתן לפתח באמצעות מצבי האופטי. באותו הפסד נמוך מספיק, מערכות אלה מספקות מהירות רוחב פס גבוהות. הם יכולים להיות מוארך מעת מימושים שולחני למערכות בינוניות-טווח הפועלת דרך האוויר או סיבים אופטיים, עם שילוב אפשרי עם אנסמבל של זיכרון קוונטי. על פני מרחקים ארוכים, אבל עם מהירות נמוכה יותר יכול להיות מושגת על ידי גישה היברידית או על ידי פיתוח חוזרים טובים המבוסס על תהליכים שאינם גאוס.

תקשורת

טלפורטציה קוונטית למרחקים ארוכים (מעל 100 קילומטרים) היא אזור פעיל, אך עדיין סובלת מבעיה פתוחה. קווביטים קיטוב - הספקים הטובים ביותר עבור טלפורט במהירות נמוכה מעל קווי סיב אופטיים ארוכים של תקשורת באוויר, אבל ברגע בפרוטוקול הוא הסתברותית עקב גילוי שלם בלה.

למרות טלפורטציה הסתברותיות הסתבכות מתאימה ליישומים כגון זיקוק של הסתבכות ו הצפנת קוונטית, אבל זה שונה בבירור מן התקשורת, בו מפורסם מידע הקלט חייב להיות נשמר במלואו.

אם נקבל טבע הסתברותית זו, יישום הלווין הוא בהישג היד של טכנולוגיות חדישות. בנוסף לשילוב של שיטות מעקב, הבעיה העיקרית הם ההפסדים הגבוהים הנגרמים על ידי ההתפשטות של הקרן. זו ניתן להתגבר בתצורה שבה הסתבכות מופצת מהלווין כדי הטלסקופ היבשתי עם צמצם גדול. בהנחה הצמצם לווין של 20 ס"מ בגובה 600 ק"מ ו 1 מ טלסקופ הצמצם על הקרקע, אפשר לצפות על 75 דציבלים של הפסד ערוץ downlink כי הוא פחות מ 80 אובדן dB בגובה פני הקרקע. יישום "לווין כדור הארץ" או "לווין לוויה" הם מורכבים יותר.

זיכרון קוונטי

לשימוש עתידי של טלפורטציה כחלק מרשת מדרגים קשור ישירות האינטגרציה שלה עם זיכרון קוונטים. זה האחרון חייב להיות מעולה מבחינת ממשק המרה היעיל "קרינה-חומר", ברמת דיוק של הקלטה וקריאה, זמן וקיבולת אחסון, מהירות גבוהה וקיבולת אחסון. קודם כל זה מאפשר לך להשתמש במגברים מסוג לתקשורת שיפור הרבה מעבר ההעברה הישירה באמצעות קודי תיקון שגיאות. ההתפתחות של זיכרון קוונטי טוב תאפשר לא רק כדי להפיץ הסתבכות ותקשורת רשת טלפורטציה, אלא גם קשור לעבד מידע מאוחסן. בסופו של דבר, זה יכול להפוך לרשת של משפט בינלאומי מופץ מחשב קוונטים או כבסיס אינטרנט קוונטים בעתיד.

התפתחויות מבטיחות

רכבים גרעיניים באופן מסורתי נחשבים אטרקטיביים בגלל ההמרה היעילה שלהם של אחסון "אור-המשנה" ותקופות האלפית השנייה שלהם, אשר יכול להכיל עד 100 ms צורכים להעביר אור גלובלי. עם זאת, התפתחויות מתקדמות יותר צפויות כעת על בסיס מערכות מוליכות למחצה, שבו ספין מעולה זיכרון קוונטי אנסמבל משולב ישירות עם הארכיטקטורה להרחבה של המעגל QED. זיכרון זה לא יכול להאריך את הקוהרנטיות זמן במעגל QED, אלא גם לספק אופטי-מיקרוגל ממשק עבור interconversion של טלקומוניקציה שבב אופטי מיקרוגל פוטונים בלבד.

לפיכך, תגליות העתיד של מדענים בתחום האינטרנט הקוונטים צפויים להתבסס על תקשורת אופטית למרחקים ארוכים, יחידות למחצה מצומדות עבור עיבוד מידע קוונטי.