Teleportarea cuantică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Teleportarea cuantică este o tehnică în calculul cuantic care permite, sub anumite restricții, transferul unei stări cuantice într-un punct arbitrar îndepărtat. În primul rând, efectul implicat este încurcarea cuantică .

Termenul de teleportare poate fi adesea înșelător, ducând la concluzii eronate și este abuzat în mod notoriu de către mass-media. [1]

Ipoteze

Ca o consecință a postulatelor mecanicii cuantice , teorema cuantică fără clonare interzice, în conformitate cu teorema cuantică a nediscriminării , crearea unui duplicat exact al unei stări cuantice necunoscute.

Cu toate acestea, în mod surprinzător, este posibil să se transfere starea cuantică a unui sistem către alt sistem. Aceasta, desigur, cu condiția să respectați teorema fără clonare, adică distrugerea informațiilor din sistemul original.

Nu se distinge

Să presupunem că o persoană numită Alice are un atom de rubidiu (elementul pe care fizicienii din acest domeniu îl folosesc în mod obișnuit) în starea sa cea mai mică de energie și că un alt nume numit Bob are un atom de același tip, tot în starea de energie minimă. Important este că acești doi atomi nu se pot distinge ; asta înseamnă că nu există nicio diferență între ele.

Dacă Alice și Bob ar fi avut, de exemplu, două sfere de sticlă aparent identice și le-ar fi schimbat, ar mai exista schimbări. Dacă ați avea un microscop puternic, cu siguranță ați putea distinge cele două sfere. Dimpotrivă, pentru atomii de același tip în aceeași stare cuantică nu există deloc diferențe . Situația în care Alice are primul atom și Bob al doilea este exact aceeași ca în cazul în care Alice și Bob schimbă atomi. Într-un sens, este greșit să spunem că doi atomi au individualitate sau identitate. Ar fi mai corect să spunem că două poziții în spațiu au proprietatea de a avea câmpurile cuantice fundamentale în aceeași stare care definește starea de energie minimă a unui atom de rubidiu.

Teleportarea cuantică: rezultatul

Să ne imaginăm că atomul lui Alice se află într-o stare complicată (excitată). Prin urmare, presupunem că nu cunoaștem această stare cuantică și, ca o consecință a teoremei cuantice de nediscriminare , că suntem incapabili să o cunoaștem. Ceea ce putem face este să teleportăm statul în atomul de rubidiu al lui Bob. În urma acestei operații, atomul lui Bob se află exact în starea în care a fost anterior Alice.

În acest moment, observați că atomul lui Bob nu se distinge de cel al lui Alice înainte de operație. Într-un anumit sens, cei doi atomi sunt la fel - pentru că nu are sens să spunem că doi atomi sunt diferiți doar pentru că sunt în poziții diferite. Dacă Alice s-ar duce la Bob și i-ar da atomul ei, ar fi în aceeași situație ca și după teleport.

Dar în acest caz Alice și Bob nu trebuie să se întâlnească; este suficient ca aceștia să împărtășească o stare încurcată și să poată comunica.

Formalism

Există mai multe scheme de teleportare cuantică. Cel mai simplu caz este cel al teleportării unui qubit .

Starea inițială a sistemelor Alice și Bob este următoarea

unde este

este starea generică a lui Alice care trebuie teleportată, iar A 2 și B sunt qubiturile încurcate ale lui Alice și respectiv ale lui Bob.

Rețineți că operatorul densității lui Bob este unitate, adică Bob nu are informații despre starea qubitului său.

În acest moment, rescriind starea generală pe care o obținem

după cum putem vedea, efectuând o măsurare Bell , Alice reduce starea lui Bob la una dintre cele patru stări cu coeficienți α și β . Rețineți că, deși qubitul lui Bob se află într-o stare definită în acest moment, acesta din urmă nu are nicio modalitate de a distinge în care dintre cele patru state se află qubitul său. În special, operatorul densității lui Bob este încă identitatea , adică nu a existat nicio transmisie de informații.

Alice îi spune apoi lui Bob care a fost rezultatul măsurării sau în ce stare se află sistemul său, permițându-i să efectueze o transformare unitară adecvată care să-i aducă starea în stat nativ la.

Realizare: circuit cuantic

Cel mai simplu protocol pentru utilizarea teleportării cuantice implică 3 qubiți (vezi imaginea). În acest exemplu, Alice trebuie să îi trimită lui Bob un statut generic: pentru a face acest lucru, ei împărtășesc 2 qubits care sunt într-o stare încurcată :

Procedură și analiză

Circuit cuantic pentru transferul unei singure stări.

Starea inițială a sistemului este


executând produsul între cei doi termeni obținem:


În acest moment, CNOT este aplicat primei perechi de qubits, unde primul este utilizat ca control, în timp ce al doilea este ținta. În acest mod se modifică starea generală a sistemului, obținându-se:



Apoi se aplică poarta Hadamard , amintindu-și asta Și starea rezultată va fi:

Pentru simplitate, este posibil să colectăm baza de calcul a celor două qubite Alice, obținând din ecuația anterioară:



În acest moment Alice continuă prin măsurarea celor 2 qubiți, în imagine măsurarea primului qubit este indicată cu z, în timp ce măsurarea celui de-al doilea cu x. În urma procesului de măsurare, Alice va obține una dintre cele patru baze de calcul posibile . De exemplu, rezultatul 00 se obține (aplicând condiția de normalizare ) cu probabilitate căruia îi corespunde statul pentru Bob. Aplicând acest raționament celorlalte baze de calcul obținem rezultatele raportate în tabelul următor.

Măsură (Alice) Şansă Stare transferată (Bob)
00
01
10
11

Operațiile X și Z sunt porți logice cuantice definite de cele două matrice Pauli Și efectuează o rotație a vectorului de stare al unui singur qubit pe sfera Bloch , în jurul axei x și respectiv axa z. Prin urmare, observăm că, în funcție de rezultatul măsurării qubitelor de către Alice, Bob va găsi o stare care nu va fi întotdeauna dar, în general, starea teleportată corespunde stării inițiale a lui Alice pe care se fac două rotații (X și Z). Este clar că, pentru a reconstrui corect starea inițială, destinatarul va trebui să știe ce operațiuni să efectueze asupra stării teleportate. Amintiți-vă că, prin urmare, matricile utilizate pentru a reprezenta porțile cuantice sunt unitare unde este reprezintă matricea de identitate e conjugatul transpune . În acest fel, Bob va trebui să aplice portul corespunzător stării pe care o primește, pentru a-și anula efectul și a obține starea inițială . Cu toate acestea, pentru a cunoaște ce operațiuni trebuie efectuate pe starea teleportată, expeditorul (Alice în exemplu) trebuie să trimită rezultatul măsurării sale către destinatar (Bob), adică valoarea celor două qubits ale sale punct sunt pur și simplu doi biți „clasici” care vor fi trimiși printr-un canal de comunicare clasic (de ex. fibră optică , cablare, Internet etc.) Bob, primind aceste informații, va putea manipula starea teleportată pentru a obține cea originală. [2]

Rezultate finale și considerații

Din această descriere pot fi extrapolate următoarele rezultate:

  • teleportarea cuantică nu transmite informații : prin acest protocol este posibilă doar transferarea unei stări generice de la un expeditor la un destinatar, dar nici unul nu va cunoaște amplitudinile Și .
  • teleportarea cuantică nu este instantanee : pentru a reconstitui starea inițială, destinatarul trebuie să cunoască rezultatul măsurătorii efectuate de către expeditor, acesta este transmis printr-un canal de comunicare „clasic”, prin urmare semnalul nu poate circula la viteza superluminală (conform la cu relativitate specială ). Mai mult, măsurarea de către expeditor a primului qubit duce la prăbușirea funcției de undă și, prin urmare, la pierderea stării inițiale, respectând teorema fără clonare .

Teleportarea cuantică este un bun candidat ca protocol de comunicare sigur pentru o viitoare rețea cuantică de Internet, la nivel de cercetare s-au făcut multe progrese, exploatând acest fenomen pentru comunicațiile sol-pământ, în 2020 o echipă de cercetători a folosit teleportarea cuantică pe 44 km de fibră optică [3] și pentru comunicații sol-satelit. [4]

În iunie 2021, cercetările privind implementarea unui protocol de distribuție cu cheie cuantică (QKD) pe 511 km de fibră optică au fost publicate în Nature Photonics. Importanța acestui rezultat este legată nu atât de distanța în sine, cât de capacitatea de a menține o decoerență scăzută între fotonii schimbați într-un mediu „zgomotos”. De fapt, trebuie amintit că majoritatea experimentelor de teleportare au loc în laborator, deci într-un mediu controlat (în termeni de temperatură și perturbări externe). Cu toate acestea, în lucrarea menționată mai sus, a fost exploatată o fibră optică utilizată în mod normal pentru schimbul de date între orașele Jinan , Mazhan și Qingdao, supusă zgomotului ambiental . [5]

Bibliografie

  • Dezvăluire:
  • Rezultate teoretice:
  • Experimente cu fotoni:
    • D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter și A. Zeilinger, Experimental quantum teleportation , Nature 390 , 6660, 575-579 (1997).
    • D. Boschi, S. Branca, F. De Martini, L. Hardy și S. Popescu, Realizarea experimentală a teleportării unei stări cuantice pure necunoscute prin canale duale clasice și Einstein-Podolsky-Rosen , Phys. Rev. Lett. 80 , 6, 1121-1125 (1998);
  • Experimente cu atomi:
    • M. Riebe, H. Häffner, CF Roos, W. Hänsel, J. Benhelm, GPT Lancaster, TW Körber, C. Becher, F. Schmidt-Kaler, DFV James, R. Blatt: Teleportarea cuantică deterministă cu atomi , Nature 429 , pp 734 - 737 (2004)
    • MD Barrett, J. Chiaverini, T. Schaetz, J. Britton, WM Itano, JD Jost, E. Knill, C. Langer, D. Leibfried, R. Ozeri și DJ Wineland: teleportarea cuantică deterministă a qubiturilor atomice , Nature 429 , pp. 737-9 (2004)

Notă

  1. ^ Cum funcționează teleportarea cuantică , pe quantum.country .
  2. ^ Cum funcționează teleportarea cuantică , pe quantum.country .
  3. ^ Raju Valivarthi, Samantha I. Davis și Si Xie, Teleportation Systems Toward at Quantum Internet , în PRX Quantum , vol. 1, nr. 2.
  4. ^ Jian-Wei Pan, Ji-Gang Ren și Ping Xu, teleportarea cuantică sol-satelit , în Nature , vol. 549.
  5. ^ Distribuția cheii cuantice cu câmp dublu pe o fibră optică de 511 km care leagă două zone metropolitane îndepărtate , la nature.com .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 51377 · LCCN (EN) sh2005003424 · GND (DE) 4523321-4 · BNF (FR) cb135068541 (data)
Cuantic Portal cuantic : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de cuantică