Uingizaji wa simu ya wingi: uvumbuzi mkubwa wa wataalamu wa fizikia

Teleportation ya quantum ni moja ya itifaki muhimu zaidi katika habari ya quantum. Kulingana na rasilimali ya kimwili, hutumikia kama sehemu kuu ya kazi mbalimbali za habari na ni sehemu muhimu ya teknolojia za quantum, na kucheza jukumu muhimu katika maendeleo zaidi ya kompyuta ya wingi, mtandao na mawasiliano.

Kutoka kwa sayansi ya uwongo kwa ugunduzi wa wanasayansi

Imekuwa zaidi ya miongo miwili tangu ugunduzi wa teleum teleportation, ambayo, labda, ni moja ya matokeo ya kuvutia zaidi na kusisimua ya "ajabu" ya quantum mechanics. Kabla ya uvumbuzi huu mkubwa ulifanywa, wazo hili lilikuwa kwenye uwanja wa sayansi ya uongo. Iliyotengenezwa mwanzo mwaka wa 1931 na Charles H. Fort, neno "teleportation" limekuwa linatumika kutaja mchakato ambao miili na vitu vinahamishwa kutoka sehemu moja hadi nyingine, kwa kweli bila kushinda umbali kati yao.

Mwaka wa 1993, makala yalichapishwa kuelezea itifaki ya taarifa ya quantum, inayoitwa "quantum teleportation," iliyoshirikisha sifa kadhaa za hapo juu. Katika hiyo, hali isiyojulikana ya mfumo wa kimwili inapimwa na hatimaye ikatengenezwa au "tena" katika eneo la mbali (vipengele vya kimwili vya mfumo wa awali hubakia mahali pa maambukizi). Utaratibu huu unahitaji njia ya kawaida ya mawasiliano na huhusisha mawasiliano ya juu. Inahitaji rasilimali ya kufungwa. Kwa kweli, teleportation inaweza kuchukuliwa kama itifaki ya taarifa ya quantum, ambayo inaonyesha wazi zaidi hali ya kuingizwa: bila uwepo wake, hali hiyo ya uhamisho haiwezi iwezekanavyo ndani ya sheria zinazoelezea mechanics ya quantum.

Uhamishajiji una jukumu muhimu katika maendeleo ya sayansi ya habari. Kwa upande mmoja, hii ni itifaki ya dhana ambayo ina jukumu la kuamua katika maendeleo ya nadharia rasmi ya habari, na kwa upande mwingine ni sehemu ya msingi ya teknolojia nyingi. Repeat quantum ni kipengele muhimu cha mawasiliano juu ya umbali mrefu. Kuhamishwa kwa swichi za quantum, mahesabu kulingana na vipimo na mitandao ya quantum - yote ni derivatives yake. Pia hutumiwa kama chombo rahisi cha kusoma "fizikia kali", inayohusiana na muda mfupi na kuenea kwa mashimo nyeusi.

Leo, teleportation ya quantum imethibitishwa katika maabara duniani kote kwa kutumia aina tofauti za substrates na teknolojia, ikiwa ni pamoja na qubits za photonic, resonance ya nyuklia, njia za macho, makundi ya atomiki, atomi zilizopigwa, na mifumo ya semiconductor. Matokeo mazuri yalifanywa katika uwanja wa teleportation mbalimbali, majaribio ya satelaiti yanaja ujao. Aidha, majaribio yameanza kupanua mifumo ngumu zaidi.

Uhamishaji wa qubits

Upepo wa teleportation mara ya kwanza ulielezwa kwa mifumo ya ngazi mbili, kile kinachoitwa qubits. Itifaki inachukua vyama viwili vya mbali, inayoitwa Alice na Bob, ambao hushirikisha qubits 2, A na B, katika hali safi ya tangled, pia huitwa jozi ya Bell. Katika mlango wa Alice mwingine qubit hutolewa, ambao hali ρ haijulikani. Kisha hufanya kipimo cha wingi cha wingi kinachoitwa ugunduzi wa Bell. Inachukua na A katika moja ya nchi nne za Bell. Matokeo yake, hali ya qubit ya uingizaji wa Alice inapotea wakati wa kipimo, na qubit ya Bob inafanyika wakati huo huo kwenye P ^† _k ρP _k . Katika hatua ya mwisho ya itifaki, Alice hupita matokeo ya classical ya kipimo chake kwa Bob, ambaye anatumia operator wa Pauli P _k kurejesha awali ρ.

Hali ya kwanza ya qubit ya Alice inachukuliwa haijulikani, kwinginevyo itifaki itapunguzwa kwa kipimo chake kijijini. Kwa kuongeza, yenyewe inaweza kuwa sehemu ya mfumo mkubwa wa wajumbe ulioshirikiwa na mtu wa tatu (katika kesi ambayo teleportation iliyofanikiwa inahitaji uzazi wa uhusiano wote na chama hiki cha tatu).

Jaribio la kawaida juu ya teleportation ya quantum inadhani hali ya awali kuwa safi na ya mali ya alfabeti ndogo, kwa mfano, miti sita ya uwanja wa Bloch. Katika uwepo wa kushuka kwa hali, ubora wa hali iliyojengwa inaweza kuonyeshwa kwa kiasi kikubwa na usahihi wa teleportation F ∈ [0, 1]. Hii ni usahihi kati ya majimbo ya Alice na Bob, wastani juu ya matokeo yote ya kugundua Bell na alfabeti ya awali. Kwa maadili madogo ya usahihi, kuna njia zinazokuwezesha kufanya teleportation isiyofaa bila kutumia rasilimali kali. Kwa mfano, Alice anaweza kupima moja kwa moja hali yake ya awali kwa kutuma matokeo kwa Bob ili kuandaa hali inayosababisha. Mkakati huu wa maandalizi ya upimaji unaitwa "teleportation ya classical." Ina usahihi wa kiwango cha juu F _darasa = 2/3 kwa hali ya pembejeo ya kiholela, ambayo ni sawa na alfabeti ya majimbo yanayopendekezwa, kama vile miti sita ya uwanja wa Bloch.

Hivyo, dalili wazi ya matumizi ya rasilimali za quantum ni thamani ya usahihi wa _darasa la F> F.

Si qubit ya moja

Kwa mujibu wa fizikia ya quantum, teleportation haipatikani kwa qubits, inaweza kujumuisha mifumo mingi. Kwa kila kipimo cha mwisho d, tunaweza kuunda mpango bora wa teleportation kwa kutumia misingi ya vectors zaidi ya hali ya tangled ambayo inaweza kupatikana kutokana na hali ya kuchanganyikiwa iliyopatikana na msingi {U _k } wa waendeshaji wa umoja kuridhisha tr (U ⁾ _j U _k ) = dδ _{j, k} . Protoksi hiyo inaweza kuundwa kwa nafasi yoyote ya Hilbert ya mwisho ya kinachojulikana. Mfumo wa kutofautiana.

Kwa kuongeza, teleportation inaweza pia kupanua kwa mifumo yenye nafasi isiyo na kipimo ya Hilbert, inayoitwa mifumo inayoendelea-kutofautiana. Kama utawala, wao hutambuliwa na njia za kibononi za macho, ambazo uwanja wa umeme unaweza kuelezewa na waendeshaji wa quadrature.

Kasi na kanuni ya kutokuwa na uhakika

Je! Ni kasi gani ya uhamishaji wa quantum? Taarifa hupitishwa kwa kasi sawa na kiwango cha maambukizi ya kiasi sawa cha classical - labda kwa kasi ya mwanga. Inadharia, inaweza kutumika kwa njia ambayo classical haiwezi - kwa mfano, katika kompyuta ya kiasi, ambapo data inapatikana tu kwa mpokeaji.

Je, telecommunation ya quantum inakiuka kanuni ya kutokuwa na uhakika? Katika siku za nyuma, wazo la teleportation halikuchukuliwa kwa uzito na wanasayansi, kwa sababu iliaminika kwamba ilikiuka kanuni ambayo inakataza mchakato wowote wa kupima au skanning kutoka kwa kutumia taarifa zote kutoka kwa atomi au kitu kingine. Kwa mujibu wa kanuni ya kutokuwa na uhakika, kwa usahihi kitu hicho kinachunguzwa, zaidi inathiriwa na mchakato wa skanning, hadi kufikia hatua wakati hali ya awali ya kitu imefungwa kwa kiwango ambacho haitawezekana tena kupata taarifa za kutosha ili kuunda nakala halisi. Hii inaonekana kushawishi: kama mtu hawezi kutolewa habari kutoka kwa kitu ili kuunda nakala bora, basi mwisho hauwezi kufanyika.

Uhamishaji wa quantum kwa dummies

Lakini wanasayansi sita (Charles Bennett, Gilles Brassard, Claude Crapo, Richard Josa, Asher Perez na William Wuthers) wamepata njia inayozunguka mantiki hii, kwa kutumia kipengele maarufu na kinachojulikana cha mechanism ya quantum, inayojulikana kama athari ya Einstein-Podolsky-Rosen. Walipata njia ya kuchunguza baadhi ya habari ya kitu cha teleported A, na sehemu yote ya kuthibitishwa kwa njia ya athari hapo juu kuhamisha kitu kingine C, katika kuwasiliana na A kamwe kukaa.

Katika siku zijazo, kwa kutumia athari kwa C kulingana na taarifa iliyopigwa, unaweza kuingiza C kwa hali A kabla ya skanning. Yenyewe haiwezi tena katika hali hiyo, kama inabadilishwa kabisa na mchakato wa skanning, hivyo matokeo ni teleportation, si replication.

Jitihada kwa aina mbalimbali

• Utoaji wa kwanza wa quantum ulifanyika mnamo 1997 karibu na wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Innsbruck na Chuo Kikuu cha Roma. Wakati wa jaribio, photon ya awali iliyokuwa na polarization na moja ya jozi ya photoni zilizojitokeza zimebadilika kwa njia ya kwamba photon ya pili ilipata polarization ya photon ya awali. Wakati huo huo, wote photons walikuwa mbali kutoka kwa kila mmoja.
• Mnamo mwaka 2012, teleportation nyingine (China, Chuo Kikuu cha Sayansi na Teknolojia) ilitokea katika ziwa la bara la maziwa kwa umbali wa kilomita 97. Timu ya wanasayansi kutoka Shanghai, iliyoongozwa na Juan Yin, imeweza kuunda utaratibu wa kupendeza ambao uliruhusu usahihi kulenga boriti.
• Mnamo Septemba mwaka huo huo, rekodi ya wingi wa kumbukumbu ya kilomita 143 ilifanyika. Wanasayansi wa Austria kutoka Academy ya Sayansi ya Austria na Chuo Kikuu cha Vienna, chini ya uongozi wa Anton Zeilinger, walifanikiwa kupitisha mataifa ya quantum kati ya Visiwa vya Canary mbili vya La Palma na Tenerife. Jaribio ilitumia mistari mbili ya mawasiliano ya macho katika nafasi ya wazi, jozi la kiasili na la kawaida, la kawaida na lisilochanganyikiwa la polarization la photons, detectors za sauti moja zisizo za chini, na uingiliano wa saa.
• Mnamo mwaka 2015, watafiti kutoka Taasisi ya Taifa ya Viwango na Teknolojia ya Amerika kwa mara ya kwanza walipeleka taarifa juu ya umbali wa kilomita zaidi ya 100 kwa fiber. Hii ilikuwa shukrani iwezekanavyo kwa detectors moja-photon zilizoundwa katika Taasisi, kwa kutumia nanowires superconducting ya silicide molybdenum.

Ni wazi kwamba mfumo bora wa teknolojia au teknolojia haipo na uvumbuzi mkubwa wa siku zijazo uongo. Hata hivyo, mtu anaweza kujaribu kutambua wagombea iwezekanavyo katika maombi maalum ya teleportation. Mchanganyiko unaofaa, hutoa msingi na mbinu zinazofaa zinaweza kutoa wakati ujao wa kuahidi kwa teleum teleportation na matumizi yake.

Umbali mfupi

Kuhamishwa kwa umbali mfupi (hadi m 1 m) kama mfumo wa kompyuta ya quantum unaahidi juu ya vifaa vya semiconductor, bora ambayo ni QED mpango. Hasa, qubits superconducting transmonon inaweza kuhakikisha teleinformation deterministic na high-usahihi juu ya Chip. Pia huruhusu kulisha moja kwa moja kwa wakati halisi, ambayo inaonekana kuwa tatizo kwenye vifuko vya photonic. Kwa kuongeza, hutoa usanifu zaidi wa usanifu na ushirikiano bora wa teknolojia zilizopo ikilinganishwa na mbinu za awali, kama vile ions zilizotengwa. Kwa sasa, kutekeleza tu kwa mifumo hii inaonekana kuwa wakati wao mdogo wa mshikamano (<100 μs). Tatizo hili linaweza kutatuliwa kwa kuunganisha mpango wa QED na seli za kumbukumbu za spin-ensemble za semiconductor (na nafasi za nitrojeni zilizobadilishwa au fuwele za doped zisizo na kawaida), ambazo zinaweza kutoa muda mrefu wa kuzingatia data ya kuhifadhi data. Kwa sasa, utekelezaji huu ni suala la jitihada nyingi na jamii ya kisayansi.

Mawasiliano ya jiji

Mawasiliano ya simu katika jiji la jiji (kilomita kadhaa) inaweza kuendelezwa kwa kutumia njia za macho. Kwa hasara za kutosha, mifumo hii inatoa kasi ya juu na bandwidth. Wanaweza kupanuliwa kutoka kwa utekelezaji wa desktop hadi mifumo ya kati ya uendeshaji kupitia ether au fiber, na ushirikiano unaowezekana na kumbukumbu ya quantum. Umbali mrefu, lakini kwa kasi ya chini, inaweza kupatikana kwa njia ya mseto wa mseto au kwa kuendeleza mabarudi nzuri kulingana na michakato isiyo ya Gaussia.

Mawasiliano ya umbali mrefu

Teleportation ya umbali wa umbali mrefu (zaidi ya kilomita 100) ni eneo la kazi, lakini bado linakabiliwa na shida ya wazi. Cube za polaria ni flygbolag bora kwa ajili ya kupeleka simu kwa kasi kwa muda mrefu juu ya mistari ya mawasiliano ya fiber-optic ndefu na juu ya hewa, lakini kwa sasa itifaki ni uwezekano kwa sababu ya kugundua kamili ya Bell.

Ijapokuwa teleportation isiyo na uwezekano na kuingizwa kwa kukubalika ni kukubalika kwa ajili ya kazi kama vile kununuliwa kwa uharibifu na cryptography ya quantum, hii ni tofauti kabisa na mawasiliano ambayo maelezo ya pembejeo yanapaswa kuhifadhiwa kikamilifu.

Ikiwa tunachukua tabia hii ya uwezekano, utekelezaji wa satelaiti unaweza kufikia teknolojia za kisasa. Mbali na ushirikiano wa mbinu za kufuatilia, shida kuu ni hasara kubwa zinazosababishwa na kueneza kwa boriti. Hii inaweza kushinda katika usanidi ambapo uchanganyiko unashirikishwa kutoka kwenye satellite hadi kwenye darubini za ardhi na kufungua kubwa. Kutokana na upanaji wa satelaiti ya cm 20 kwenye urefu wa kilomita 600 na dalili ya toni ya toni 1 chini, mtu anaweza kutarajia juu ya 75 dB ya hasara katika kituo cha downlink, ambayo ni chini ya 80 dB ya kupoteza kwa kiwango cha chini. Realizations ya "dunia-satellite" au "satellite-satellite" ni ngumu zaidi.

Kumbukumbu ya Wingi

Matumizi ya baadaye ya teleportation kama sehemu muhimu ya mtandao wa scalable moja kwa moja inategemea ushirikiano wake na kumbukumbu ya quantum. Mwisho lazima uwe na interface bora ya mionzi, kwa ufanisi wa uongofu, kurekodi na kusoma usahihi, wakati wa kuhifadhi na bandwidth, uwezo wa kasi na uhifadhi. Awali ya yote, hii itaruhusu kutumia wakabiashara ili kupanua mawasiliano mbali zaidi na maambukizi ya moja kwa moja kwa kutumia nambari za kusahihisha makosa. Uendelezaji wa kumbukumbu nzuri ya quantum ingewezesha kuruhusu tu kusambaza mawasiliano ya mtandao na mawasiliano ya teleportation, lakini pia mchakato wa habari kuhifadhiwa kwa usawa. Hatimaye, hii inaweza kugeuza mtandao kwenye kompyuta ya kimataifa ya kusambaza kiasi au msingi wa mtandao wa wingi wa baadaye.

Maendeleo ya mtazamo

Vitu vya atomiki vimeonekana kuwa vyema kutokana na mabadiliko yao ya "mwanga" na nyakati zao za kuhifadhi millisecond, ambazo zinaweza kufikia 100 ms, muhimu kwa uhamisho wa mwanga kwa kiwango cha kimataifa. Hata hivyo, maendeleo mazuri zaidi yanatarajiwa leo kwa misingi ya mifumo ya semiconductor, ambapo kumbukumbu bora ya spin-ensemble quantum ni moja kwa moja kuunganishwa na usanifu scalable wa mpango wa QED. Kumbukumbu hii haiwezi tu kupanua muda wa mshikamano wa mzunguko wa QED, lakini pia hutoa interface ya optic-microwave kwa interconversion ya optic-telecom na chip microwave photons.

Kwa hiyo, uvumbuzi wa baadaye wa wanasayansi katika uwanja wa mtandao wa wingi huenda ukawa na msingi wa kuunganisha macho ya muda mrefu, pamoja na nodes za semiconductor kwa usindikaji wa quantum habari.