Teleportarea cuantică

Teleportarea cuantică  este transmiterea unei stări cuantice pe o distanță folosind o pereche încâlcită separată în spațiu și un canal de comunicare clasic , în care starea este distrusă la punctul de plecare în timpul măsurării și recreată în punctul de recepție.

Termenul a fost stabilit datorită unui articol publicat în 1993 [1] în jurnalul „ Physical Review Letters ”, care descrie ce fel de fenomen cuantic se propune să fie numit „teleporting” ( în engleză  teleporting ) și cum diferă acesta de „ teleportation ”. „popular în science fiction.

Teleportarea cuantică nu transferă energie sau materie la distanță. Conceptul fantastic de teleportare provine dintr-o interpretare specifică a experimentului: „starea inițială a particulei A după tot ce s-a întâmplat este distrusă. Adică statul nu a fost copiat, ci transferat dintr-un loc în altul.

Descrierea experimentului

La implementarea teleportarii cuantice, pe langa transmiterea informatiilor printr-un canal cuantic, este necesara si transmiterea informatiilor suplimentare necesare citirii unui mesaj printr-un canal clasic. Corelațiile Einstein-Podolsky-Rosen caracteristice particulelor încurcate cuantice sunt folosite pentru a transmite „partea cuantică” și orice canal de comunicare convențional este potrivit pentru transmiterea informațiilor clasice.

Pentru simplitate, să considerăm un sistem cuantic cu două stări posibile și (de exemplu, proiecția spinului unui electron sau foton pe o axă dată). Astfel de sisteme sunt adesea denumite qubiți . Cu toate acestea, metoda descrisă mai jos este potrivită pentru transferul stării oricărui sistem având un număr finit de stări.

Fie ca expeditorul să aibă particula A, care se află într-o stare cuantică arbitrară , și dorește să transfere această stare cuantică destinatarului, adică să se asigure că destinatarul are la dispoziție particula B în aceeași stare. Cu alte cuvinte, este necesar să se transmită raportul dintre două numere complexe și (cu precizie maximă). Rețineți că scopul principal aici este de a transmite informații nu cât mai repede posibil, ci cât mai precis posibil . Pentru a atinge acest obiectiv, se parcurg următorii pași.

1. Emițătorul și receptorul creează în avans o pereche de C și B încurcați cuantici (de exemplu, doi qubiți în starea Bell ), C ajungând la emițător și B la receptor. Deoarece aceste particule sunt încurcate, fiecare dintre ele nu are propria sa funcție de undă (vector de stare), dar întreaga pereche (sau mai degrabă, gradele de libertate care ne interesează) sunt descrise de un singur vector de stare cu patru dimensiuni .
2. Sistemul cuantic al particulelor A și C are patru stări, cu toate acestea, nu putem descrie starea sa printr-un vector - doar un sistem de trei particule A, B, C are o stare pură (complet definită). Când emițătorul face o măsurătoare care are patru rezultate posibile, pe un sistem de două particule A și C, el obține una dintre cele 4 valori proprii ale mărimii măsurate. Deoarece, în timpul acestei măsurători, sistemul de trei particule A, B, C se prăbușește într-o stare nouă, iar stările particulelor A și C devin complet cunoscute, încrucișarea este distrusă și particula B se află într-o anumită stare cuantică.
3. În acest moment are loc „transferul” „părții cuantice” a informațiilor. Cu toate acestea, este încă imposibil să se restabilească informațiile transmise: destinatarul știe că starea particulei B este într-un fel legată de starea particulei A, dar nu știe exact cum !
4. Pentru a afla acest lucru, este necesar ca emițătorul să comunice receptorului rezultatul măsurării sale prin canalul clasic obișnuit (cheltuind doi biți corespunzători stării AC hooked măsurată de emițător). Conform legilor mecanicii cuantice, rezultă că, având rezultatul unei măsurători efectuate pe o pereche de particule A și C și plus particulele B încurcate cu C, destinatarul va putea efectua transformarea necesară asupra starea particulei B și restabiliți starea inițială a particulei A.

Transmiterea completă a informațiilor va fi efectuată numai după ce destinatarul a primit datele prin ambele canale. Înainte ca rezultatul să fie primit pe canalul clasic, receptorul nu poate spune nimic despre starea transmisă.

Este fundamental imposibil să interceptați informațiile transmise; dacă un „intrus” încearcă să urmărească evoluția unei perechi încurcate B și C, atunci el va distruge imediat încâlcirea acesteia.

Implementare experimentală

• Implementarea experimentală a teleportării cuantice a stării de polarizare a unui foton a fost realizată în 1997 aproape simultan de grupuri de fizicieni conduse de Anton Zeilinger ( Universitatea din Innsbruck ) [2] și Francesco de Martini ( Universitatea din Roma ) [3] .
• În revista Nature din 17 iunie 2004, a fost anunțată observarea experimentală cu succes a teleportării cuantice a stării cuantice a atomului de către două grupuri de cercetare simultan: M. Riebe și colab., Nature 429, 734-737 Arhivat 15 noiembrie , 2006 la Wayback Machine ion atom de calciu) și MDBarrett și colab., Nature 429, 737-739 Arhivat 15 noiembrie 2006 la Wayback Machine ( teleportare qubit ion atom baryllium ). În ciuda nivelului crescut de interes pentru mass-media , aceste experimente cu greu pot fi numite o descoperire: mai degrabă, este doar un alt mare pas către crearea computerelor cuantice și realizarea criptografiei cuantice .
• În 2006, a fost efectuată pentru prima dată teleportarea între obiecte de natură diferită - cuante cu radiații laser și atomi de cesiu . Experimentul de succes a fost realizat de o echipă de cercetare de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga . [patru]
• Pe 23 ianuarie 2009, oamenii de știință au reușit pentru prima dată să teleporteze starea cuantică a unui ion cu un metru. [5] [6]
• Pe 10 mai 2010, într-un experiment organizat de fizicienii de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China și de la Universitatea Tsinghua, starea cuantică a unui foton a fost transmisă pe 16 kilometri. [7] [8]
• În 2012, fizicienii chinezi au reușit să transmită 1.100 de fotoni încâlciți pe o distanță de 97 de kilometri în 4 ore. [9] [10]
• În septembrie 2012, fizicienii de la Universitatea din Viena și de la Academia Austriacă de Științe au stabilit un nou record în teleportarea cuantică - 143 de kilometri [11]
• Într-un articol publicat pe 21 septembrie 2014, un grup de oameni de știință a anunțat că au reușit să teleporteze cuantic un foton dintr-o fibră optică la o distanță record (pentru o fibră optică) - 25 de kilometri [12] [13] [14] [ 15] .
• În septembrie 2015, oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA au reușit să teleporteze fotoni prin fibră pe o distanță de peste 100 km. În timpul experimentului, a fost folosit un detector cu un singur foton cu cabluri supraconductoare pe bază de siliciură de molibden la o temperatură apropiată de zero absolut [16] .
• În iunie 2017, oamenii de știință chinezi au efectuat teleportarea cuantică pe o distanță de peste 1200 de kilometri [17] [18] .
• În 2020, o echipă de oameni de știință de la Universitatea din Chicago a reușit să demonstreze posibilitatea transmiterii instantanee a unei stări cuantice pe distanțe lungi. Cercetătorii au reușit să transmită o stare cuantică pe 44 km cu o precizie de peste 90% prin rețele de fibră optică similare cu cele care stau la baza internetului existent [19] .

Vezi și

• calculator cuantic
• informație cuantică
• algoritm cuantic
• criptografia cuantică
• Teorema fără clonare
• Ansible
• Mo Tzu (satelit)
• Protocolul lui Bennett-Brassard-Crepeaux-Jozhes-Perez-Wutters

Note

1. ↑ Bennett C., Bennett C. H. , Brassard G. , Crépeau C. , Jozsa R. , Peres A. , Wootters W. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels  // Phys . Rev. Lett. - [Woodbury, NY, etc.] : Societatea Americană de Fizică , 1993. - Vol. 70, Iss. 13. - P. 1895-1899. — ISSN 0031-9007 ; 1079-7114 ; 1092-0145 - doi:10.1103/PHYSREVLETT.70.1895 - PMID:10053414
2. ↑ Natura 390 . Preluat la 11 august 2009. Arhivat din original la 29 octombrie 2009. (nedefinit)
3. ↑ Fiz. Rev. Lett. 80, 1121-1125 (1998) ( arXiv : quant-ph/9710013 )
4. ↑ Prima teleportare cuantică între lumină și materie  (  5 octombrie 2006). Arhivat din original pe 5 iunie 2011.
5. ↑ Fizicienii teleportează pentru prima dată ioni pe metru. Lenta.ru  (engleză)  (26 ianuarie 2009). Arhivat din original la 31 ianuarie 2009. Preluat la 1 iunie 2009.
6. ↑ comunicat de presă pe site-ul Joint Quantum Institute  (ing.)  (23 ianuarie 2009). Arhivat din original pe 20 martie 2009. Preluat la 1 iunie 2009.
7. ↑ S-a efectuat teleportarea cuantică pe 16 kilometri. Compulenta.ru  (rusă)  (20 mai 2010). Arhivat din original pe 13 ianuarie 2012. Preluat la 21 mai 2010.
8. ↑ Teleportarea cuantică experimentală în spațiul liber  ( 16 mai 2010). Arhivat din original pe 22 august 2011.
9. ↑ Fotoni teleportați la o distanță record Lenta.ru  (rusă)  (12 mai 2012). Arhivat din original pe 14 mai 2012. Preluat la 14 mai 2012. ( arXiv : quant-ph/1205.2024 )
10. ↑ Juan Yin și colab. Distribuția de teleportare cuantică și încurcare pe canale de 100 de kilometri în spațiu liber   // Natura . - 2012. - Vol. 488.-P. 185-188. - doi : 10.1038/nature11332 .
11. ↑ Nou record pentru teleportarea cuantică - 143 de kilometri cybersecurity.ru  (rusă)  (12 august 2012). Arhivat din original pe 7 septembrie 2012. Preluat la 6 septembrie 2012.
12. ↑ Teleportarea cuantică de la un foton cu lungime de undă de telecomunicații la o memorie cuantică în stare solidă  . Nature Photonics (21 septembrie 2014).
13. ↑ Teleportarea cuantică de la un foton cu lungime de undă de telecomunicații la o memorie cuantică în stare solidă  . Consultat la 18 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 18 noiembrie 2016.
14. ↑ Teleportarea cuantică la distanță mai lungă realizată  (  21 septembrie 2016). Arhivat din original pe 13 ianuarie 2017. Preluat la 18 noiembrie 2016.
15. ↑ Teleportarea cuantică pe o distanță de 25 km a fost realizată de oamenii de știință  (ruși) , Naked Science (22 septembrie 2014). Arhivat din original pe 19 noiembrie 2016. Preluat la 18 noiembrie 2016.
16. ↑ Oamenii de știință au teleportat fotoni la mai mult de 100 km - IA REGNUM . Preluat la 24 septembrie 2015. Arhivat din original la 25 septembrie 2015. (nedefinit)
17. ↑ Încâlcerea fotonică bazată pe satelit, distribuită pe 1.200 de  kilometri . EurekAlert!. Consultat la 18 iunie 2017. Arhivat din original pe 28 iunie 2017.
18. ↑ În China, teleportarea cuantică a fost efectuată pe o distanță de 1,2 mii de kilometri . Arhivat din original pe 10 decembrie 2019. Preluat la 18 iunie 2017.
19. ↑ Teleportarea cuantică de 44 km realizată în SUA . Arhivat din original pe 4 ianuarie 2021. Preluat la 4 ianuarie 2021.

Literatură

• Teleportare: Salt în imposibil / David Darling. - Moscova: Eksmo, 2008. - 300 p. — (Descoperiri care au zguduit lumea). - 3100 de exemplare.  - ISBN 978-5-699-23980-1 .
• Baumester D., Eckert A., Zeilinger A. Fizica informației cuantice. M.: Postmarket, 2002. 376 p. capitolul 3
• Kaye F., Laflame R., Mosca M. Introduction to Quantum Computing. - Izhevsk: RHD, 2009. - 360 p.
• Kilin S.Ya. Quanta și informația / Progresul în optică. - 2001. - Vol. 42. - P. 1-90.
• Kilin S. Ya. Informații cuantice / Uspekhi Physical Nauk. - 1999. - T. 169. - C. 507-527. [1] Arhivat pe 20 iulie 2018 la Wayback Machine
• Belokurov VV, Timofeevskaya OD, Khrustalev OA Teleportarea cuantică este un miracol obișnuit. Moscova, Izhevsk: Editura: Regular and Chaotic Dynamics, 2000. 172 p. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Link -uri

• Mensky M. B. Mecanica cuantică: noi experimente, noi aplicații și noi formulări ale vechilor întrebări
• Prelegeri despre calculul cuantic (introducere, codificare superdensă, teleportare cuantică, algoritmi Simon și Shor) în cadrul cursului „ Probleme moderne de informatică teoretică Arhivat 15 octombrie 2008 la Wayback Machine ”
• Teleportarea cuantică pe o distanță de un metru a fost confirmată experimental.Copie arhivată din 27 ianuarie 2009 la Wayback Machine
• Teleportarea cuantică a mutat fotonii la o distanță record Arhivat 13 aprilie 2021 la Wayback Machine
• Oamenii de știință au explicat ce fel de teleportare este implementat în Rusia Copia de arhivă din 23 iunie 2016 la Wayback Machine
• Fizicianul Alexander Oshchepkov despre dezvoltarea tehnologiilor de teleportare până în 2035

În cataloagele bibliografice	BNF : 135068541 GND : 4523321-4 J9U : 987007549397105171 LCCN : sh2005003424 SUDOC : 050219189