Kvantum teleportáció

A kvantumteleportáció egy kvantumállapot átvitele  távolságon belül egy térben elválasztott összegabalyodott pár és egy klasszikus kommunikációs csatorna segítségével, amelyben az állapot a mérés során a kiindulási ponton megsemmisül, majd a vétel helyén újra létrejön.

A kifejezés a Physical Review Letters folyóiratban 1993-ban [1] megjelent cikknek köszönhető , amely leírja, hogy milyen kvantumjelenséget javasolnak "teleportálásnak" ( angolul teleporting ) nevezni, és miben különbözik a " teleportációtól ". "Népszerű a sci-fiben.  

A kvantumteleportáció nem ad át energiát vagy anyagot nagy távolságra. A teleportáció fantasztikus koncepciója a kísérlet sajátos értelmezéséből származik: „az A részecske kezdeti állapota, miután minden történt, megsemmisül. Vagyis az államot nem lemásolták, hanem átvitték egyik helyről a másikra.

A kísérlet leírása

A kvantumteleportáció megvalósítása során a kvantumcsatornán keresztüli információtovábbításon túl szükség van egy üzenet olvasásához szükséges további információk továbbítására is klasszikus csatornán keresztül. A kvantumrészecskékre jellemző Einstein-Podolsky-Rosen korrelációkat alkalmazzák a „kvantumrész” továbbítására , és bármely hagyományos kommunikációs csatorna alkalmas a klasszikus információ továbbítására.

Az egyszerűség kedvéért vegyünk egy kvantumrendszert két lehetséges állapottal és (például egy elektron vagy foton spinjének adott tengelyre való vetülete). Az ilyen rendszereket gyakran qubiteknek nevezik . Az alábbiakban ismertetett módszer azonban alkalmas bármely véges számú állapotú rendszer állapotának átvitelére.

Legyen a küldő A részecske, amely tetszőleges kvantumállapotban van , és ezt a kvantumállapotot akarja átadni a címzettnek, vagyis megbizonyosodni arról, hogy a címzett rendelkezésére áll a B részecske ugyanabban az állapotban. Más szóval, két komplex szám és (maximális pontossággal) arányát kell közvetíteni. Vegye figyelembe, hogy itt a fő cél az, hogy az információkat ne a lehető leggyorsabban, hanem a lehető legpontosabban továbbítsák . E cél elérése érdekében a következő lépéseket kell megtenni.

1. A küldő és a vevő előre létrehoz egy kvantum-kuszált (például két qubitet a Bell állapotban ) C-t és B-t, ahol C eljut a küldőhöz, B pedig a vevőhöz. Mivel ezek a részecskék összegabalyodtak, mindegyiknek nincs saját hullámfüggvénye (állapotvektora), hanem az egész párt (vagy inkább a minket érdeklő szabadsági fokokat) egyetlen négydimenziós állapotvektor írja le .
2. Az A és C részecskék kvantumrendszerének négy állapota van, azonban állapotát nem tudjuk vektorral leírni - csak egy három A, B, C részecskékből álló rendszernek van tiszta (teljesen meghatározott) állapota Amikor a küldő olyan mérést végez, négy lehetséges kimenetele van, két A és C részecske rendszerén keresztül megkapja a mért mennyiség 4 sajátértékének egyikét. Mivel e mérés során a három A, B, C részecske rendszere valamilyen új állapotba omlik , és az A és C részecskék állapota teljesen ismertté válik, az összefonódás megsemmisül, és a B részecske egy bizonyos kvantumállapotba kerül.
3. Ebben a pillanatban történik meg az információ „kvantum részének” „átadása”. A továbbított információ visszaállítása azonban továbbra sem lehetséges: a címzett tudja, hogy a B részecske állapota valamilyen módon összefügg az A részecske állapotával, de nem tudja pontosan, hogyan !
4. Ennek kiderítéséhez szükséges, hogy a küldő a szokásos klasszikus csatornán közölje a vevővel mérésének eredményét (a küldő által mért AC hook állapotnak megfelelő két bitet elköltve). A kvantummechanika törvényei szerint kiderül, hogy az A és C részecskék párján végzett mérés eredménye, valamint a B részecskék összefonódása a C-vel, a befogadó képes lesz a szükséges transzformációt végrehajtani a B részecske állapotát, és állítsa vissza az A részecske kezdeti állapotát.

Az információ teljes körű továbbítása csak akkor történik meg, ha a címzett mindkét csatornán megkapta az adatokat. Mielőtt a klasszikus csatornán megérkezne az eredmény, a vevő nem tud semmit mondani az átvitel állapotáról.

A továbbított információ lehallgatása alapvetően lehetetlen; ha egy "behatoló" megpróbálja követni egy összegabalyodott B és C pár fejlődését, akkor azonnal megsemmisíti annak összefonódását.

Kísérleti megvalósítás

• A foton polarizációs állapotának kvantumteleportációjának kísérleti megvalósítását 1997-ben szinte egyidejűleg Anton Zeilinger ( Innsbrucki Egyetem ) [2] és Francesco de Martini ( Római Egyetem ) [3] vezette fizikuscsoportok végezték el .
• A Nature folyóiratban 2004. június 17- én bejelentették az atom kvantumállapotának kvantumteleportációjának sikeres kísérleti megfigyelését, amelyet egyszerre két kutatócsoport végez: M. Riebe et al., Nature 429, 734-737 Archivált november 15. , 2006 at the Wayback Machine kalciumatom ion) és MDBarrett et al., Nature 429, 737-739 Archivált 2006. november 15-én a Wayback Machine -nél ( barillium atomion qubit teleportation ). A média iránti megnövekedett érdeklődés ellenére ezek a kísérletek aligha nevezhetők áttörésnek: ez csak egy újabb nagy lépés a kvantumszámítógépek létrehozása és a kvantumkriptográfia megvalósítása felé .
• 2006- ban először hajtottak végre teleportációt különböző természetű objektumok között - lézersugárzás kvantumok és céziumatomok között . A sikeres kísérletet a koppenhágai Niels Bohr Intézet kutatócsoportja végezte . [négy]
• 2009. január 23- án a tudósoknak először sikerült egy méterrel teleportálniuk egy ion kvantumállapotát. [5] [6]
• 2010. május 10-én a Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem és a Tsinghua Egyetem fizikusai által végzett kísérlet során egy foton kvantumállapotát 16 kilométeren keresztül továbbították. [7] [8]
• 2012 -ben a kínai fizikusoknak 4 óra alatt 1100 összegabalyodott fotont sikerült 97 kilométeres távolságra továbbítaniuk. [9] [10]
• 2012 szeptemberében a Bécsi Egyetem és az Osztrák Tudományos Akadémia fizikusai új rekordot döntöttek a kvantumteleportáció terén – 143 kilométert [11].
• Egy 2014. szeptember 21-én megjelent cikkben tudósok egy csoportja bejelentette, hogy sikerült kvantumteleportálni egy fotont egy optikai szálban rekord (optikai szál) távolságra - 25 kilométerre [12] [13] [14] [ 15] .
• 2015 szeptemberében az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetének tudósai több mint 100 km-es távolságra szálon keresztül fotonokat tudtak teleportálni. A kísérlet során molibdén-szilicid alapú szupravezető kábelekkel ellátott egyfoton detektort használtunk abszolút nullához közeli hőmérsékleten [16] .
• 2017 júniusában kínai tudósok kvantumteleportációt hajtottak végre több mint 1200 kilométeres távolságon [17] [18] .
• 2020-ban a Chicagói Egyetem tudósainak csoportja be tudta bizonyítani a kvantumállapotok azonnali, nagy távolságokra történő átvitelének lehetőségét. A kutatók több mint 90%-os pontossággal tudtak kvantumállapotot továbbítani 44 km-en keresztül a meglévő internet alapját képező száloptikai hálózatokon [19] .

Lásd még

• kvantumszámítógép
• kvantuminformáció
• kvantum algoritmus
• kvantumkriptográfia
• Klónozás nélküli tétel
• Lehetséges
• Mo Tzu (műholdas)
• Bennett-Brassard-Crepeaux-Jozhes-Perez-Wutters jegyzőkönyve

Jegyzetek

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 . Fordulat. Lett. - [Woodbury, NY, stb.] : American Physical Society , 1993. - Vol. 70, Iss. 13. - P. 1895-1899. — ISSN 0031-9007 ; 1079-7114 ; 1092-0145 - doi:10.1103/PHYSREVLETT.70.1895 - PMID:10053414
2. ↑ Természet 390 . Letöltve: 2009. augusztus 11. Az eredetiből archiválva : 2009. október 29.. (határozatlan)
3. ↑ Phys. Rev. Lett. 80, 1121-1125 (1998) ( arXiv : quant-ph/9710013 )
4. ↑ Első kvantumteleportáció a fény és az anyag között  (  2006. október 5.). Archiválva az eredetiből 2011. június 5-én.
5. ↑ A fizikusok először teleportálnak ionokat méterenként. Lenta.ru  (angol)  (2009. január 26.). Archiválva az eredetiből 2009. január 31-én. Letöltve: 2009. június 1.
6. ↑ sajtóközlemény a Joint Quantum Institute  (eng.) honlapján  (2009. január 23.). Az eredetiből archiválva: 2009. március 20. Letöltve: 2009. június 1.
7. ↑ 16 kilométeres kvantumteleportációt hajtottak végre. Compulenta.ru  (orosz)  (2010. május 20.). Az eredetiből archiválva : 2012. január 13. Letöltve: 2010. május 21.
8. ↑ Kísérleti szabad tér kvantumteleportáció  ( 2010. május 16.). Archiválva az eredetiből 2011. augusztus 22-én.
9. ↑ A fotonok rekordtávolságra teleportáltak Lenta.ru  (orosz)  (2012. május 12.). Az eredetiből archiválva : 2012. május 14. Letöltve: 2012. május 14. ( arXiv : quant-ph/1205.2024 )
10. ↑ Juan Yin et al. Kvantumteleportáció és összefonódás-eloszlás 100 kilométeres szabad tér csatornákon   // Természet . - 2012. - Kt. 488.-P. 185-188. - doi : 10.1038/nature11332 .
11. ↑ Új rekord a kvantumteleportáció terén – 143 kilométer cybersecurity.ru  (orosz)  (2012. augusztus 12.). Az eredetiből archiválva: 2012. szeptember 7. Letöltve: 2012. szeptember 6.
12. ↑ Kvantumteleportáció távközlési hullámhosszú fotonból szilárdtest kvantum  memóriába . Természetfotonika (2014. szeptember 21.).
13. ↑ Kvantumteleportáció távközlési hullámhosszú fotonból szilárdtest kvantum  memóriába . Letöltve: 2016. november 18. Az eredetiből archiválva : 2016. november 18..
14. ↑ Nagyobb távolságú kvantumteleportációt sikerült elérni  (  2016. szeptember 21.). Archiválva az eredetiből 2017. január 13-án. Letöltve: 2016. november 18.
15. ↑ 25 km-es kvantumteleportációt értek el tudósok  (orosz) , Naked Science (2014. szeptember 22.). Az eredetiből archiválva : 2016. november 19. Letöltve: 2016. november 18.
16. ↑ A tudósok több mint 100 km-re teleportáltak fotonokat - IA REGNUM . Letöltve: 2015. szeptember 24. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 25. (határozatlan)
17. ↑ Műhold alapú fotonösszefonódás 1200  kilométeren keresztül . EurekAlert!. Letöltve: 2017. június 18. Az eredetiből archiválva : 2017. június 28..
18. ↑ Kínában 1,2 ezer kilométeres távolságban kvantumteleportációt hajtottak végre . Az eredetiből archiválva : 2019. december 10. Letöltve: 2017. június 18.
19. ↑ 44 km-es kvantumteleportációt sikerült elérni az Egyesült Államokban . Archiválva az eredetiből 2021. január 4-én. Letöltve: 2021. január 4.

Irodalom

• Teleportáció: Ugrás a lehetetlenbe / David Darling. - Moszkva: Eksmo, 2008. - 300 p. — (Felfedezések, amelyek megrázták a világot). - 3100 példány.  - ISBN 978-5-699-23980-1 .
• Baumester D., Eckert A., Zeilinger A. A kvantuminformáció fizika. M.: Postapiac, 2002. 376 p. 3. fejezet
• Kaye F., Laflame R., Mosca M. Bevezetés a kvantumszámításba. - Izhevsk: RHD, 2009. - 360 p.
• Kilin S.Ya. Mennyiségek és információk / Haladás az optikában. - 2001. - 20. évf. 42. - P. 1-90.
• Kilin S. Ya. Quantum information / Uspekhi Physical Nauk. - 1999. - T. 169. - C. 507-527. [1] Archiválva : 2018. július 20. a Wayback Machine -nél
• Belokurov VV, Timofeevskaya OD, Khrustalev OA A kvantumteleportáció közönséges csoda. Moszkva, Izhevsk: Kiadó: Szabályos és kaotikus dinamika, 2000. 172 p. http://books.prometey.org/download/14171.html http://quantumtheory.ru/read/ru/5C83EBAA0666885492E275916BE83723CCFFEE2D/

Linkek

• Mensky M. B. Kvantummechanika: új kísérletek, új alkalmazások és régi kérdések új megfogalmazásai
• Előadások a kvantumszámításról (bevezetés, szupersűrű kódolás, kvantumteleportáció, Simon és Shor algoritmusok) a " Az elméleti számítástechnika modern problémái archiválva 2008. október 15. a Wayback Machine -nál " tantárgy részeként
• Kísérletileg megerősítették a kvantumteleportációt egy méteres távolságban. Archivált másolat 2009. január 27-én a Wayback Machine -nél
• A kvantumteleportáció rekordtávolságra mozdította el a fotonokat Archiválva : 2021. április 13. a Wayback Machine -nél
• A tudósok elmagyarázták, milyen teleportációt alkalmaznak Oroszországban . A Wayback Machine 2016. június 23-i archív példánya
• Alexander Oshchepkov fizikus a teleportációs technológiák fejlesztéséről 2035-ig

Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 135068541 GND : 4523321-4 J9U : 987007549397105171 LCCN : sh2005003424 SUDOC : 050219189