Kvantová teleportace

Kvantová teleportace  je přenos kvantového stavu na dálku pomocí spleteného páru odděleného v prostoru a klasického komunikačního kanálu , ve kterém je stav zničen v místě odjezdu během měření a znovu vytvořen v místě příjmu.

Termín vznikl díky článku publikovanému v roce 1993 [1] v časopise „ Physical Review Letters “, který popisuje, jaký druh kvantového jevu se navrhuje nazývat „teleporting“ ( anglicky  teleporting ) a jak se liší od „ teleportace “. “ populární ve sci-fi.

Kvantová teleportace nepřenáší energii ani hmotu na dálku. Fantastický koncept teleportace pochází ze specifické interpretace experimentu: „počáteční stav částice A po všem, co se stalo, je zničen. To znamená, že stát nebyl zkopírován, ale přenesen z jednoho místa na druhé.

Popis experimentu

Při implementaci kvantové teleportace je kromě přenosu informací kvantovým kanálem také nutné přenášet další informace nutné ke čtení zprávy klasickým kanálem. K přenosu „kvantové části“ se používají Einstein-Podolsky-Rosenovy korelace charakteristické pro kvantově provázané částice a pro přenos klasické informace je vhodný jakýkoli konvenční komunikační kanál.

Pro jednoduchost uvažujme kvantový systém se dvěma možnými stavy a (například průmět spinu elektronu nebo fotonu na danou osu). Takové systémy jsou často označovány jako qubity . Níže popsaná metoda je však vhodná pro přenos stavu libovolného systému s konečným počtem stavů.

Nechť má odesílatel částici A, která je v libovolném kvantovém stavu a chce tento kvantový stav přenést na příjemce, tedy aby se ujistil, že příjemce má k dispozici částici B ve stejném stavu. Jinými slovy, je nutné zprostředkovat poměr dvou komplexních čísel a (s maximální přesností). Všimněte si, že hlavním cílem je předat informace ne co nejrychleji, ale co nejpřesněji . K dosažení tohoto cíle jsou podniknuty následující kroky.

1. Vysílač a přijímač předem vytvoří dvojici kvantově propojených (například dva qubity ve stavu Bell ) C a B, přičemž C se dostane k odesílateli a B k přijímači. Jelikož jsou tyto částice propletené, každá z nich nemá svou vlastní vlnovou funkci (stavový vektor), ale celý pár (nebo spíše stupně volnosti, které nás zajímají) jsou popsány jediným čtyřrozměrným stavovým vektorem .
2. Kvantový systém částic A a C má čtyři stavy, nemůžeme však jeho stav popsat vektorem - čistý (plně definovaný) stav má pouze systém tří částic A, B, C. Když odesílatel provede měření, které má čtyři možné výsledky, nad soustavou dvou částic A a C získá jedno ze 4 vlastních hodnot měřené veličiny. Vzhledem k tomu, že se při tomto měření systém tří částic A, B, C zhroutí do nějakého nového stavu a stavy částic A a C se stanou zcela známými, dojde ke zničení provázanosti a částice B se ocitne v určitém kvantovém stavu.
3. Právě v tomto okamžiku dochází k „přenosu“ „kvantové části“ informace. Stále je však nemožné obnovit přenášenou informaci: příjemce ví, že stav částice B nějak souvisí se stavem částice A, ale neví přesně jak !
4. K tomu je nutné, aby odesílatel sdělil výsledek svého měření přijímači obvyklým klasickým kanálem (spotřeboval dva bity odpovídající stavu AC hooked naměřenému odesílatelem). Podle zákonů kvantové mechaniky se ukazuje, že po výsledku měření provedeného na dvojici částic A a C a plus částici B propletené s C bude příjemce schopen provést potřebnou transformaci na stav částice B a obnovit počáteční stav částice A.

Plný přenos informací bude proveden až poté, co příjemce obdrží data oběma kanály. Před přijetím výsledku na klasickém kanálu nemůže přijímač říci nic o vysílaném stavu.

Zachytit přenášené informace je zásadně nemožné; pokud se "vetřelec" pokusí sledovat vývoj propleteného páru B a C, pak jeho propletení okamžitě zničí.

Experimentální implementace

• Experimentální implementaci kvantové teleportace stavu polarizace fotonu provedly v roce 1997 téměř současně skupiny fyziků pod vedením Antona Zeilingera ( Univerzita v Innsbrucku ) [2] a Francesca de Martiniho ( Římská univerzita ) [3] .
• V časopise Nature dne 17. června 2004 bylo oznámeno úspěšné experimentální pozorování kvantové teleportace kvantového stavu atomu dvěma výzkumnými skupinami najednou: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 Archivováno 15. listopadu , 2006 na Wayback Machine vápníkový atomový ion) a MDBarrett a kol., Nature 429, 737-739 Archivováno 15. listopadu 2006 na Wayback Machine ( qubitová teleportace atomu barylia ). Navzdory zvýšenému zájmu médií lze tyto experimenty jen stěží nazvat průlomem: spíše je to jen další velký krok k vytvoření kvantových počítačů a realizaci kvantové kryptografie .
• V roce 2006 byla poprvé provedena teleportace mezi objekty různé povahy - kvanty laserového záření a atomy cesia . Úspěšný experiment provedl výzkumný tým z institutu Nielse Bohra v Kodani . [čtyři]
• 23. ledna 2009 se vědcům poprvé podařilo teleportovat kvantový stav iontu o jeden metr. [5] [6]
• 10. května 2010 byl v experimentu provedeném fyziky z University of Science and Technology of China a Tsinghua University přenesen kvantový stav fotonu na vzdálenost 16 kilometrů. [7] [8]
• V roce 2012 se čínským fyzikům podařilo za 4 hodiny přenést 1100 provázaných fotonů na vzdálenost 97 kilometrů. [9] [10]
• V září 2012 vytvořili fyzici z Vídeňské univerzity a Rakouské akademie věd nový rekord v kvantové teleportaci – 143 kilometrů [11]
• V článku publikovaném 21. září 2014 skupina vědců oznámila, že se jim podařilo kvantově teleportovat foton v optickém vláknu na rekordní (pro optické vlákno) vzdálenost - 25 kilometrů [12] [13] [14] [ 15] .
• V září 2015 se vědcům z amerického Národního institutu pro standardy a technologie podařilo teleportovat fotony přes vlákno na vzdálenost přes 100 km. Během experimentu byl použit jednofotonový detektor se supravodivými kabely na bázi silicidu molybdenu při teplotě blízké absolutní nule [16] .
• V červnu 2017 provedli čínští vědci kvantovou teleportaci na vzdálenost přes 1200 kilometrů [17] [18] .
• V roce 2020 se týmu vědců z University of Chicago podařilo prokázat možnost okamžitého přenosu kvantového stavu na velké vzdálenosti. Výzkumníci byli schopni přenést kvantový stav na vzdálenost 44 km s více než 90% přesností přes optické sítě podobné těm, které tvoří základ stávajícího internetu [19] .

Viz také

• kvantový počítač
• kvantové informace
• kvantový algoritmus
• kvantová kryptografie
• Neklonovací teorém
• Ansible
• Mo Tzu (satelit)
• Protokol Bennett-Brassard-Crepeaux-Jozhes-Perez-Wutters

Poznámky

1. ↑ Bennett C., Bennett C. H. , Brassard G. , Crépeau C. , Jozsa R. , Peres A. , Wootters W. Teleportace neznámého kvantového stavu prostřednictvím duálních klasických a Einstein-Podolsky-Rosenových kanálů  // Phys . Rev. Lett. - [Woodbury, NY, atd.] : American Physical Society , 1993. - Sv. 70, Iss. 13. - S. 1895-1899. — ISSN 0031-9007 ; 1079-7114 ; 1092-0145 – doi:10.1103/PHYSREVLETT.70.1895 – PMID:10053414
2. ↑ Příroda 390 . Získáno 11. srpna 2009. Archivováno z originálu dne 29. října 2009. (neurčitý)
3. ↑ Phys. Rev. Lett. 80, 1121-1125 (1998) ( arXiv : quant-ph/9710013 )
4. ↑ První kvantová teleportace mezi světlem a hmotou  (  5. října 2006). Archivováno z originálu 5. června 2011.
5. ↑ Fyzici poprvé teleportují ionty na metr. Lenta.ru  (anglicky)  (26. ledna 2009). Archivováno z originálu 31. ledna 2009. Staženo 1. června 2009.
6. ↑ tisková zpráva na webu Joint Quantum Institute  (angl.)  (23. ledna 2009). Archivováno z originálu 20. března 2009. Staženo 1. června 2009.
7. ↑ Byla provedena kvantová teleportace na 16 kilometrů. Compulenta.ru  (ruština)  (20. května 2010). Archivováno z originálu 13. ledna 2012. Staženo 21. května 2010.
8. ↑ Experimentální kvantová teleportace ve volném prostoru  ( 16. května 2010). Archivováno z originálu 22. srpna 2011.
9. ↑ Fotony teleportované na rekordní vzdálenost Lenta.ru  (ruština)  (12. května 2012). Archivováno z originálu 14. května 2012. Staženo 14. května 2012. ( arXiv : quant-ph/1205.2024 )
10. ↑ Juan Yin a kol. Kvantová teleportace a distribuce zapletení přes 100-kilometrové kanály volného prostoru   // Příroda . - 2012. - Sv. 488, str. 185-188. - doi : 10.1038/příroda11332 .
11. ↑ Nový rekord pro kvantovou teleportaci – 143 kilometrů cybersecurity.ru  (ruština)  (12. srpna 2012). Archivováno z originálu 7. září 2012. Staženo 6. září 2012.
12. ↑ Kvantová teleportace z fotonu s vlnovou délkou telekomu do polovodičové kvantové  paměti . Fotonika přírody (21. září 2014).
13. ↑ Kvantová teleportace z fotonu s vlnovou délkou telekomu do polovodičové kvantové  paměti . Získáno 18. listopadu 2016. Archivováno z originálu 18. listopadu 2016.
14. ↑ Bylo dosaženo kvantové teleportace na delší vzdálenost  (  21. září 2016). Archivováno z originálu 13. ledna 2017. Staženo 18. listopadu 2016.
15. ↑ Kvantová teleportace na vzdálenost 25 km byla dosažena vědci  (Russian) , Naked Science (22. září 2014). Archivováno z originálu 19. listopadu 2016. Staženo 18. listopadu 2016.
16. ↑ Vědci teleportovali fotony na více než 100 km - IA REGNUM . Získáno 24. září 2015. Archivováno z originálu 25. září 2015. (neurčitý)
17. ↑ Satelitní fotonové propletení rozmístěné přes 1200  kilometrů . EurekAlert!. Získáno 18. června 2017. Archivováno z originálu 28. června 2017.
18. ↑ V Číně byla kvantová teleportace provedena na vzdálenost 1,2 tisíce kilometrů . Archivováno z originálu 10. prosince 2019. Staženo 18. června 2017.
19. ↑ 44 km kvantová teleportace dosažená v USA . Archivováno z originálu 4. ledna 2021. Staženo 4. ledna 2021.

Literatura

• Teleportace: Skok do nemožného / David Darling. - Moskva: Eksmo, 2008. - 300 s. — (Objevy, které otřásly světem). - 3100 výtisků.  - ISBN 978-5-699-23980-1 .
• Baumester D., Eckert A., Zeilinger A. Fyzika kvantové informace. M.: Postmarket, 2002. 376 s. Kapitola 3
• Kaye F., Laflame R., Mosca M. Introduction to Quantum Computing. - Iževsk: RHD, 2009. - 360 s.
• Kilin S.Ya. Kvanta a informace / Pokrok v optice. - 2001. - Sv. 42. - S. 1-90.
• Kilin S. Ya. Kvantové informace / Uspekhi Physical Nauk. - 1999. - T. 169. - C. 507-527. [1] Archivováno 20. července 2018 na Wayback Machine
• Belokurov VV, Timofeevskaya OD, Khrustalev OA Kvantová teleportace je obyčejný zázrak. Moskva, Iževsk: Publishing House: Regular and Chaotic Dynamics, 2000. 172 s. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Odkazy

• Mensky M. B. Kvantová mechanika: nové experimenty, nové aplikace a nové formulace starých otázek
• Přednášky o kvantovém počítání (úvod, superhusté kódování, kvantová teleportace, Simon a Shorovy algoritmy) v rámci kurzu " Moderní problémy teoretické informatiky archivováno 15. října 2008 na Wayback Machine "
• Kvantová teleportace na vzdálenost jednoho metru byla experimentálně potvrzena Archivovaná kopie z 27. ledna 2009 na Wayback Machine
• Kvantová teleportace posunula fotony na rekordní vzdálenost Archivováno 13. dubna 2021 na Wayback Machine
• Vědci vysvětlili, jaký druh teleportace je implementován v Rusku Archivní kopie z 23. června 2016 na Wayback Machine
• Fyzik Alexander Oshchepkov o vývoji teleportačních technologií do roku 2035

V bibliografických katalozích	BNF : 135068541 GND : 4523321-4 J9U : 987007549397105171 LCCN : sh2005003424 SUDOC : 050219189