النقل الكوانتي: اكتشافات كبيرة من علماء الفيزياء

النقل الكوانتي هو واحد من أهم البروتوكولات في الكم من المعلومات. واستنادا إلى الموارد المادية من الارتباك، هو العنصر الرئيسي في المهام المعلومات المختلفة، ويمثل جزءا هاما من التقنيات الكمية تلعب دورا رئيسيا في زيادة تطوير الحوسبة الكمومية، والشبكات والاتصالات.

من الخيال العلمي إلى الاكتشافات العلمية

لقد مر أكثر من عقدين من الزمن منذ اكتشاف النقل الكوانتي، الذي هو على الارجح واحدة من النتائج الأكثر إثارة للاهتمام ومثيرة من "الغرابة" لميكانيكا الكم. قبل إجراء هذه الاكتشافات العظيمة، تعود هذه الفكرة إلى عالم من الخيال العلمي. اخترع لأول مرة في عام 1931 من قبل تشارلز H. فورت مصطلح "تحريك تخاطر" ومنذ ذلك الحين يستخدم لوصف العملية التي يتم من خلالها نقل الجسم والكائنات من مكان إلى آخر، فإنه ليس من التغلب حقا المسافة بينهما.

في عام 1993 نشر مقالا يصف بروتوكول الكم من المعلومات، ودعا "النقل الكوانتي"، الذي شارك بعض من الأعراض المذكورة أعلاه. فإنه يتم قياس حالة غير معروفة نظام الجسدي وتتكرر في وقت لاحق، أو "إعادة تسير" في موقع بعيد (تبقى العناصر المادية من النظام الأصلي في نقل مكان). وهذه العملية تتطلب وسائل الكلاسيكية للاتصال ويزيل اتصال أسرع من الضوء. فهو يتطلب الحياة من الارتباك. في الواقع، تحريك تخاطر يمكن اعتبار بروتوكول الكم من المعلومات الذي يوضح أكثر وضوحا لطبيعة الارتباك: بدونها وجود حالة نقل لا يكون ممكنا في إطار القوانين التي تصف ميكانيكا الكم.

وقد لعبت تحريك تخاطر بدور فعال في تطوير علم المعلومات. من جهة، وهذا هو بروتوكول المفاهيمي، والتي تلعب دورا حاسما في تطوير نوعية الرسمية نظرية المعلومات، ومن ناحية أخرى هو عنصر أساسي من العديد من التقنيات. مكرر الكم - عنصرا أساسيا من الاتصالات لمسافات طويلة. مفاتيح الكم تحريك تخاطر، وحساب على أساس القياسات وشبكة الكم - كلها مشتقاتها. يتم استخدامه كأداة بسيطة لدراسة "المتطرفة" في الفيزياء، على المنحنيات المؤقتة وتبخر الثقوب السوداء.

اليوم تحريك تخاطر الكم مؤكدة في المختبرات حول العالم باستخدام مجموعة متنوعة من ركائز والتقنيات، بما في ذلك المكدسة الضوئية، الرنين المغناطيسي النووي، وسائط بصرية، ومجموعات من الذرات، ذرات المحاصرين وأنظمة أشباه الموصلات. وقد تم تحقيق نتائج باهرة في التجارب المقبلة مجموعة تحريك تخاطر مع الأقمار الصناعية. وعلاوة على ذلك، جرت محاولات لرفع مستوى لأنظمة أكثر تعقيدا.

تحريك تخاطر من المكدسة

وصفت الكم تحريك تخاطر أولا لأنظمة مستويين، ما يسمى المكدسة. بروتوكول النظر طرفين النائية، ودعا أليس وبوب، الذين يشتركون و qubit 2، A و B في دولة شرك محض، كما دعا بيل زوج. عند مدخل أليس معين و qubit آخر، والذي هو غير معروف ρ حالة. ثم ينفذ قياس الكم المشترك، ودعا اكتشاف بيل. وهو يحمل و(أ) في واحدة من الدول بيل الأربعة. ونتيجة لذلك، فإن الدولة مدخلات و qubit عند قياسها أليس يختفي وبوب B و qubit توقعت في وقت واحد على P ^† _ك ρP _ك. في الماضي بروتوكول خطوة أليس ينقل نتيجة الكلاسيكية قياسها بوب، الذي ينطبق باولي P مشغل _ك لاستعادة ρ الأصلي.

وتعتبر الدولة الأولى من و qubit أليس مجهول، وذلك لأن انخفاض وإلا فإن بروتوكول لقياسه عن بعد. وبالإضافة إلى ذلك، قد تكون هي نفسها جزءا من نظام مركب أكبر، وتقاسم مع طرف ثالث (في هذه الحالة تحريك تخاطر نجاح كل الارتباطات يتطلب التشغيل مع هذا الطرف الثالث).

تجربة نموذجية من تحريك تخاطر الكم يأخذ حالته الأصلية نقية والانتماء إلى أبجدية المحظورة، على سبيل المثال، ستة أقطاب المجال بلوخ. في ظل وجود نوعية فك الترابط الدولة التي أعيد بناؤها يمكن التعبير دقيق من الناحية الكمية تحريك تخاطر F ∈ [0، 1]. هذه الدقة بين الدول أليس وبوب، وبلغ متوسط على كل نتائج الكشف عن بيل والأبجدية الأصلية. للقيم صغيرة من دقة أساليب الوجود، والسماح لتحريك تخاطر الكمال دون مورد معقدة. على سبيل المثال، قد أليس قياس مباشرة حالته الأصلية عن طريق إرسال بوب لإعداد الدولة الناتجة. وأشارت هذه الاستراتيجية للتدريب قياس باسم "تحريك تخاطر الكلاسيكية". لديها الحد الأقصى لدقة _الطبقة F = 2/3 لأي دولة المدخلات، والأبجدية يعادل الظروف مشاركات متبادل مثل المجال بلوخ ستة أعمدة.

وهكذا، دلالة واضحة على استخدام الموارد الكم هو F قيمة الدقة> _{فئة F.}

ليس واحد و qubit

وفقا ل فيزياء الكم، تحريك تخاطر من المكدسة لا يقتصر، قد تشمل نظاما متعدد الأبعاد. لكل محدود التدبير د يمكن أن تصاغ المثالي مخطط تحريك تخاطر باستخدام أساس الحد الأقصى ناقلات المتشابكة الدولة التي يمكن الحصول عليها من دولة متشابكا الحد الأقصى معين وعلى أساس {U _ك} المشغلين وحدوية تلبية ^{_{آر (U † ي U ك)}} = dδ ي، ك . مثل هذا البروتوكول يمكن بناؤها لأي محدود، فضاء هلبرت ص. ن. أنظمة متغيرة منفصلة.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تنطبق تحريك تخاطر الكم لأنظمة مع فضاء هلبرت لانهائية، ودعا الأنظمة بشكل مستمر، متغير. وكقاعدة عامة، تتحقق من قبل وسائل بوسون البصرية، والمجال الكهربائي التي يمكن وصفها مشغلي التربيع.

السرعة وعدم اليقين المبدأ

ما هي سرعة النقل الكوانتي؟ يتم نقل المعلومات بسرعة مماثلة لسرعة نقل نفس العدد من الكلاسيكية - ربما مع سرعة الضوء. من الناحية النظرية، وبالتالي يمكن استخدامها، وكيفية الكلاسيكية لا يمكن - على سبيل المثال، في الحوسبة الكمومية، حيث هي البيانات المتاحة فقط للمتلقي.

لا تنتهك النقل الكوانتي مبدأ عدم اليقين؟ في الماضي، فإن فكرة تحريك تخاطر لا تؤخذ على محمل الجد من قبل علماء حقا، لأنه كان يعتقد أنه يخالف مبدأ حظر أي عملية القياس أو المسح الضوئي لاستخراج كل ذرة من المعلومات أو كائن آخر. وفقا لمبدأ عدم اليقين، ويتم فحص أكثر دقة الكائن، وأكثر أنه يتأثر عملية المسح حتى يتم التوصل إلى نقطة عندما تضطرب الحالة الأصلية للكائن إلى درجة أن أكثر لا يمكن الحصول على ما يكفي من المعلومات لإنشاء نسخة متماثلة. هذا يبدو مقنعا: إذا كان الشخص لا يمكن استخراج المعلومات من وجوه لإنشاء نسخة كاملة، لا يمكن أن يتم هذا الأخير.

الكم تحريك تخاطر لالدمى

لكن العلماء ستة (تشارلز بينيت، Zhil Brassar، كلود كريبو، ريتشارد Dzhosa، أشر بيريز، وUilyam Vuters) وجدت طريقة للالتفاف حول هذا المنطق، وذلك باستخدام ميزة احتفل والمتناقضة لميكانيكا الكم المعروفة باسم آينشتاين بودولسكي روزين. ووجد الباحثون وسيلة لفحص المعلومات تيليبورتيد الكائن A، وتبقى جزء لم تختبر من خلال تأثير نقل الكائنات الأخرى في اتصال مع وأبدا الالتزام.

وفي وقت لاحق، من خلال تطبيق التعرض C المعلومات الممسوحة ضوئيا تعتمد يمكن إدخالها في الدولة ولمسح. ونفسه ليست في نفس الحالة كما في عملية المسح عكس، وبالتالي يتحقق هو تحريك تخاطر، وليس النسخ المتماثل.

النضال من أجل مجموعة

• استغرق أول النقل الكوانتي في عام 1997 في وقت واحد تقريبا من قبل علماء من جامعة انسبروك وجامعة روما. خلال التجربة مصدر الفوتون وجود الاستقطاب، واحدة من زوج من الفوتونات المتشابكة تم تغيير بحيث الثاني استقطاب الفوتون الأصلي استلامها. وهكذا متباعدة كل من الفوتونات من بعضها البعض.
• في عام 2012، والنقل الكوانتي منتظم (جامعة الصين للعلوم والتكنولوجيا) من خلال البحيرة جبال الألب على مسافة 97 كم. تمكن فريق من العلماء من شنغهاي عن طريق خوان Iinem أدى إلى وضع آلية الموحية التي سمحت شعاع استهدفت على وجه التحديد.
• في سبتمبر، أجري النقل الكوانتي قياسي على 143 كم من نفس العام. العلماء النمساويين من أكاديمية العلوم في النمسا وجامعة فيينا تحت إشراف Antona Tsaylingera قد تنتقل بنجاح الحالات الكمومية بين جزر الكناري اثنين من لابالما وتينيريف. التجربة استخدمت اثنين من خطوط الاتصالات البصرية في العراء، kvantumnaya والكلاسيكية، والتردد الاستقطاب غير مترابطة متشابكة زوج من الفوتونات مصادر، sverhnizkoshumnye للكشف عن فوتون واحد وتزامن ساعة القابض.
• في عام 2015، قدم الباحثون من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا لأول مرة نقل المعلومات على مسافة أكثر من 100 كيلومتر من الألياف البصرية. وجاء هذا ممكنا بفضل معهد خلق كشف الفوتون باستخدام أسلاك فائقة التوصيل من السيليسيد الموليبدينوم.

ومن الواضح أن المثل الأعلى للنظام الكم أو تكنولوجيا لا يوجد حتى الآن والاكتشافات العظيمة في المستقبل لم يأت بعد. ومع ذلك، يمكننا محاولة لتحديد المرشحين المحتملين لتطبيقات محددة من تحريك تخاطر. التهجين مناسبة لهم، بشرط أساس ثابت وأساليب قد توفر المستقبل الواعد لتحريك تخاطر الكم وتطبيقاتها.

مسافات قصيرة

تحريك تخاطر على بعد مسافة قصيرة (1 م) وذلك الكم حساب الفرعي أجهزة أشباه الموصلات واعدة، وأفضل من الذي هو رسم تخطيطي وهو المطلوب. وعلى وجه الخصوص، المكدسة فائقة التوصيل transmonovye يمكن أن تضمن حتمية ودقيقة للغاية رقاقة تحريك تخاطر. أنها تسمح أيضا التدفق المباشر في الوقت الحقيقي، والذي يبدو إشكالية على رقائق الضوئية. وبالإضافة إلى ذلك، فإنها توفر بنية أكثر قابلة للتطوير وتكامل أفضل التكنولوجيات الموجودة بالمقارنة مع النهج السابقة، مثل أيونات المحاصرين. حاليا، والعيب الوحيد لهذه النظم على ما يبدو غير محدود من الوقت التماسك (<100 مللي ثانية). يمكن حل هذه المشكلة عن طريق استخدام التكامل وهو المطلوب مع الدوائر أشباه الموصلات تدور خلايا الذاكرة فرقة (استبدال النيتروجين مع الشواغر أو الكريستال مخدر مع العناصر الأرضية النادرة)، والتي يمكن أن توفر وقتا طويلا لتماسك مقدار تخزين البيانات. حاليا، هذا التطبيق هو أمر لبذل المزيد من الجهود من المجتمع العلمي.

رابط المدينة

لنا النقل الفضائي لحجم المدينة (على بعد عدة كيلومترات) يمكن تطويرها باستخدام وسائط بصرية. في فقدان منخفضة بما فيه الكفاية، وتوفر هذه الأنظمة سرعة عالية وعرض النطاق الترددي. أنها يمكن أن تمتد من تطبيقات سطح المكتب لأنظمة متوسطة المدى التي تعمل عبر الأثير أو الألياف البصرية، مع إمكانية دمج مع فرقة من ذاكرة الكم. لمسافات طويلة، ولكن مع سرعة أقل ويمكن تحقيق ذلك عن طريق اتباع نهج هجين أو من خلال تطوير الراسبين جيدة على أساس العمليات غير جاوس.

اتصالات

لمسافات طويلة النقل الكوانتي (أكثر من 100 كم) يمثل منطقة نشطة، ولكن لا يزال يعاني من مشكلة مفتوحة. المكدسة الاستقطاب - أفضل ناقلة لالنقل الفضائي منخفضة السرعة عبر خطوط الألياف البصرية طويلة من الاتصالات وعن طريق الهواء، ولكن في لحظة البروتوكول هو احتمالي بسبب الكشف غير مكتملة بيلا.

على الرغم من أن تحريك تخاطر احتمالي والتشابك هي مناسبة لتطبيقات مثل التقطير من التشابك والتشفير الكم، ولكن الأمر مختلف بوضوح من الاتصالات التي يجب الحفاظ عليها وإدخال المعلومات بشكل كامل.

وإذا قبلنا هذه الطبيعة الاحتمالية، وتنفيذ القمر الصناعي هم في متناول التقنيات الحديثة. بالإضافة إلى التكامل طرق تتبع، والمشكلة الرئيسية هي الخسائر العالية الناجمة عن انتشار شعاع. هذا يمكن التغلب عليها في تكوين حيث يتم توزيع التورط من القمر الصناعي إلى التلسكوب الأرضي مع فتحة كبيرة. على افتراض فتحة الأقمار الصناعية من 20 سم في 600 ارتفاع كم و 1 م التلسكوب الفتحة على أرض الواقع، يمكن للمرء أن يتوقع حوالي 75 ديسيبل الخسارة في قناة الهابطة التي هي أقل من 80 ديسيبل خسارة على مستوى سطح الأرض. تنفيذ "الفضائية الأرض" أو "الفضائية رفيق" أكثر تعقيدا.

ذاكرة الكم

الاستخدام المستقبلي لتحريك تخاطر كجزء من شبكة قابلة يرتبط مباشرة إلى التكامل مع ذاكرة الكم. يجب أن يكون هذا الأخير رائع من حيث كفاءة تحويل واجهة "إشعاع الأمر"، وهي دقة التسجيل والقراءة والوقت وسعة التخزين وسرعة عالية وسعة التخزين. أولا وقبل كل ذلك يتيح لك استخدام الراسبين لتعزيز التواصل ما هو أبعد من النقل المباشر باستخدام رموز تصحيح الخطأ. ان تطوير ذاكرة نوعية جيدة تسمح ليس فقط لتوزيع التشابك وشبكة الاتصالات تحريك تخاطر، ولكن أيضا على اتصال لمعالجة المعلومات المخزنة. في نهاية المطاف، وهذا يمكن ان يتحول الى شبكة توزيع دوليا كمبيوتر الكم أو على أساس الإنترنت الكم في المستقبل.

التطورات الواعدة

الفرق النووية تعتبر تقليديا جذابة بسبب تحويل كفاءة بهم من "مادة-الخفيفة" وفترات ميلي ثانية واحدة على التخزين، والتي يمكن أن تصل إلى 100 مللي اللازمة لنقل الضوء عالميا. ومع ذلك، من المتوقع الآن تطورات أكثر تقدما على أساس أنظمة أشباه الموصلات، حيث تدور ممتاز الذاكرة الكم فرقة دمج مباشرة مع بنية قابلة للدائرة وهو المطلوب. هذه الذاكرة لا يمكن أن تمتد فقط في المرة تماسك الدائرة وهو المطلوب، ولكن أيضا لتوفير واجهة البصرية الميكروويف لinterconversion الاتصالات السلكية واللاسلكية ورقاقة فوتونات الميكروويف البصرية.

وبالتالي، من المرجح أن يكون قائما على مسافات طويلة الاتصالات البصرية، ووحدات شبه الموصلة مترافق لمعالجة المعلومات الكم الاكتشافات في المستقبل من العلماء في مجال الإنترنت الكم.