양자 순간 이동 : 물리학 자의 위대한 발견

양자 순간 이동은양자 정보에서 중요한 프로토콜. 얽힘의 물리적 자원을 기반으로하여 다양한 정보 작업의 주요 요소로 작용하며 양자 기술의 중요한 구성 요소이며 양자 컴퓨팅, 네트워크 및 통신의 발전에 핵심적인 역할을 수행합니다.

과학 소설에서 과학자 발견에 이르기까지

이후 20 년이 넘었습니다.양자 역학 (quantum teleportation)의 발견은 아마도 양자 역학의 "이상"의 가장 흥미롭고 흥미로운 결과 중 하나 일 것입니다. 이 위대한 발견이 이루어지기 전에,이 아이디어는 공상 과학 소설의 분야에 속했다. 1931 년에 Charles H. Fort에 의해 최초로 창출 된 "순간 이동"이라는 용어는 신체와 물체가 실제 거리를 연결하지 않고 한 장소에서 다른 장소로 이동하는 과정을 말하는 데 사용되었습니다.

1993 년에 기사가 실렸다.위에 열거 된 기능 중 몇 가지를 분리 한 "양자 텔레포트 (quantum teleportation)"라고 불리는 양자 정보 프로토콜. 여기에서 물리적 시스템의 알려지지 않은 상태가 측정되고이어서 원격 위치에서 재구성되거나 "재조 립"됩니다 (원래 시스템의 물리적 요소는 전송 지점에 남아 있습니다). 이 과정은 고전적인 의사 소통 수단을 필요로하며 초장의 의사 소통을 제거합니다. 그것은 얽힘의 자원이 필요합니다. 실제로 순간 이동은 얽힘의 본질을 가장 분명하게 보여주는 양자 정보의 프로토콜로 간주 될 수 있습니다. 존재하지 않으면 양자 역학을 묘사하는 법칙의 틀 내에서 그러한 전송 상태가 가능하지 않았을 것입니다.

순간 이동은 발전에 적극적인 역할을합니다.정보 과학. 한편으로 이것은 공식적인 정보 양자 이론의 개발에 결정적인 역할을하는 개념적 프로토콜이며 다른 한편으로는 많은 기술의 기본 구성 요소입니다. 양자 추종자는 장거리 통신의 핵심 요소입니다. 양자 스위치의 순간 이동, 측정 기반 계산 및 양자 네트워크는 모두 그것의 파생물입니다. 또한 시간 곡선과 블랙홀의 증발과 관련된 "극한"물리학을 연구하기위한 간단한 도구로도 사용됩니다.

오늘날, 양자 순간 이동은핵 자기 공명, 광학 모드, 원자 그룹, 트랩 된 원자 및 반도체 시스템을 비롯한 다양한 기질 및 기술을 사용하여 전 세계의 실험실에서 사용되고 있습니다. 탁월한 결과는 순간 이동 범위에서 달성되었으며 위성을 이용한 실험이 이루어졌습니다. 또한보다 복잡한 시스템으로 확장하려는 시도가 시작되었습니다.

텔레포트 큐 비트

양자 순간 이동은2 단계 시스템, 소위 큐 비트. 이 프로토콜은 Alice와 Bob이라는 두 개의 원격 당사자를 고려하는데, A와 B는 2 개의 큐 비트 (A와 B)를 순수한 얽힌 상태 (벨 쌍이라고도 함)로 공유합니다. 입력에서 Alice는 상태 ρ를 알 수없는 또 다른 qubit a를받습니다. 그런 다음 벨 감지라고하는 결합 양자 측정을 수행합니다. a와 A를 Bell의 4 개 주 중 하나로 이전합니다. 결과적으로 측정 중 Alice의 입력 큐 비트 상태가 사라지고 밥 큐 비트 B가 동시에 P에 투사됩니다.^†_kρP_k. 프로토콜의 마지막 단계에서 Alice는 Pauli 연산자 P를 사용하는 측정 결과의 클래식 결과를 Bob에게 전달합니다._k 원래 ρ를 복원합니다.

Alice의 큐 비트의 초기 상태가 고려됩니다프로토콜이 원격 측정으로 내려 가기 때문에 알 수 없습니다. 또한 자체적으로 타사와 공유되는 더 큰 복합 시스템의 일부일 수 있습니다 (이 경우 성공적인 텔레포트를 위해서는이 타사와의 모든 상관 관계를 재현해야합니다).

양자 순간 이동에서의 전형적인 실험초기 상태가 순수하고 제한된 알파벳, 예를 들어 블로흐 구체의 6 개의 극에 속한다고 가정합니다. 디코 히 런스가 존재하는 경우, 재구성 된 상태의 품질은 순간 이동 정확도 F ∈ [0, 1]에 의해 정량화 될 수있다. 이것은 모든 Bell 감지 결과와 원래 알파벳에 대해 평균화 된 Alice와 Bob의 상태 간의 정확도입니다. 정확도가 낮은 값에는 복잡한 자원을 사용하지 않고 불완전한 순간 이동을 허용하는 방법이 있습니다. 예를 들어 Alice는 결과 상태를 준비하기 위해 Bob에게 결과를 보내서 초기 상태를 직접 측정 할 수 있습니다. 이 측정 훈련 전략을 "클래식 순간 이동"이라고합니다. 최대 f 정확도_수업 = 임의의 입력 상태의 경우 2/3로, Bloch 구의 6 극과 같이 상호 편향되지 않은 상태의 알파벳과 같습니다.

따라서, 양자 자원의 사용에 대한 명확한 신호는 정확도 값 F> F입니다._수업.

단일 큐빗이 아님

양자 물리학이 말하는 것처럼 순간 이동은큐 비트로 제한되며 다차원 시스템을 포함 할 수 있습니다. 각 유한 차원 d에 대해, 가장 얽힌 상태 벡터의 기초를 사용하여 이상적인 순간 이동 방식을 공식화 할 수 있으며, 이는 주어진 최대 얽힌 상태와 기저 {U_k} tr (U^†_j 유_k) = dδ_{j, k}. 이러한 프로토콜은 소위 임의의 유한 차원 힐베르트 공간에 대해 구성 될 수있다. 이산 변수 시스템.

또한, 양자 순간 이동은연속 가변 시스템이라고하는 무한 차원의 힐버트 공간이있는 시스템으로 확장됩니다. 일반적으로 광학 보소닉 모드로 구현되며 전기장은 직교 연산자로 설명 할 수 있습니다.

속도와 불확실성 원리

양자 순간 이동의 속도는 얼마입니까? 정보는 같은 양의 클래식 전송 속도와 비슷한 속도로, 아마도 빛의 속도로 전송됩니다. 이론적으로는 데이터가 수신자 만 사용할 수있는 양자 컴퓨팅과 같이 고전적으로 불가능한 방식으로 사용될 수 있습니다.

양자 순간 이동이 원칙을 위반 하는가?불확실성? 과거에는 순간 이동에 대한 아이디어가 과학자들에 의해 심각하게 받아 들여지지 않았다. 왜냐하면 그것은 모든 측정이나 스캐닝 과정이 원 자나 다른 물체의 모든 정보를 추출하는 것을 금지하는 원칙을 위반한다고 믿었 기 때문이다. 불확실성 원리에 따라, 물체가 정확하게 스캔 될수록, 물체의 초기 상태가 더 이상 정확한 사본을 생성하기에 충분한 정보를 얻을 수 없을 정도로 도달 할 때까지 포인트에 도달 할 때까지 스캐닝 프로세스에 의해 영향을 더 많이 받는다. 설득력있는 소리 : 사람이 물체에서 정보를 추출하여 완벽한 사본을 만들 수 없으면 후자는 만들 수 없습니다.

인형을위한 양자 순간 이동

하지만 6 명의 과학자들 (찰스 베넷, 질 브라스 드,Claude Crepeau, Richard Josa, Asher Perez 및 William Wooters)는 아인슈타인 포돌스키 로젠 (Einstein-Podolsky-Rosen) 효과로 알려진 양자 역학의 유명하고 역설적 인 특징을 사용하여이 논리를 둘러싼 길을 찾았습니다. 그들은 순간 이동 된 물체 A의 정보의 일부를 스캔하고 언급 된 효과를 통해 검증되지 않은 나머지 부분을 A와 접촉 한 적이없는 다른 물체 C로 전송하는 방법을 찾았습니다.

이어서 C에 노출을 적용하여스캔 한 정보에 따라 스캔하기 전에 C를 상태 A로 입력 할 수 있습니다. 스캔 프로세스에 의해 완전히 변경되었으므로 자체는 더 이상 해당 상태가 아닙니다. 따라서 달성 된 것은 복제가 아니라 순간 이동입니다.

사거리를 위해 싸우다

최초의 양자 순간 이동은1997 년과 거의 동시에 인스부르크 대학과 로마 대학의 과학자들. 실험 동안, 편광을 갖는 초기 광자 및 얽힌 광자 쌍 중 하나는 제 2 광자가 원래의 편광을 수신하도록 변경되었다. 이 경우, 두 광자들은 서로 떨어져있었습니다.
2012 년 다음 양자 순간 이동 (중국, 과학 기술 대학교)은 97km 거리의 고산 호수를 통해 이루어졌다. Huang Yin이 이끄는 상하이의 과학자 팀은 정확한 빔 타겟팅을 허용하는 안내 메커니즘을 개발했습니다.
그해 9 월, 기록143km 양자 순간 이동. Anton Zeilinger가 이끄는 오스트리아 과학 아카데미와 비엔나 대학교 (University of Sciences)와 오스트리아 대학 (University of Vienna)의 오스트리아 과학자들은 두 개의 카나리아 제도 라 팔마 (La Palma)와 테 네리 페 (Tenerife) 사이에서 양자 상태를 성공적으로 이전했다. 이 실험은 양자 공간과 고전 공간, 주파수와 관련이없는 편광 얽힌 쌍의 광자 소스, 초 저잡음 단일 광자 검출기 및 결합 된 클록 동기화에서 두 개의 광 통신 라인을 사용했습니다.
2015 년 미국 국립 표준 기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 먼저 광섬유를 통해 100km 이상의 거리에서 정보를 전송했습니다. 이는 몰리브덴 실리사이드로 만들어진 초전도 나노 와이어를 사용하여 연구소에서 만든 단일 광자 검출기 덕분에 가능했습니다.

이상적인 양자 시스템 또는기술은 아직 존재하지 않으며 미래에 대한 위대한 발견은 아직 이루어지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 순간 이동 애플리케이션의 특정 영역에서 가능한 후보를 식별 할 수 있습니다. 호환 가능한 프레임 워크와 방법에 따라 적절한 하이브리드 화는 양자 순간 이동과 그 응용에 가장 유망한 미래를 제공 할 수 있습니다.

근거리

단거리 (최대 1m)에서의 순간 이동양자 컴퓨팅 서브 시스템은 반도체 장치에서 유망하며, 그 중 가장 좋은 것은 QED 체계입니다. 특히, 초전도 트랜스 몬 큐비 트는 칩에서 결정적이고 고정밀 순간 이동을 보장 할 수 있습니다. 또한 실시간 직접 공급을 허용하여 광자 칩에 문제가있는 것으로 보입니다. 또한 이들은 트랩 된 이온과 같은 이전의 접근 방식에 비해 확장 성이 뛰어난 아키텍처와 기존 기술의 통합을 향상시킵니다. 현재, 이들 시스템의 유일한 단점은 그들의 제한된 간섭 시간 (<100 μs)이다. 이 문제는 QED 체계를 반도체 스핀 앙상블 메모리 셀 (질소 치환 공석 또는 희토류 도핑 된 결정)과 통합하여 양자 데이터 저장을위한 긴 코 히어 런스 시간을 제공함으로써 해결할 수 있습니다. 현재이 구현은 과학계의 큰 노력의 대상입니다.

도시 연결

도시 규모의 순간 이동 통신광학 모드를 사용하여 (수 킬로미터)를 개발할 수 있습니다. 손실이 충분히 적은이 시스템은 고속 및 대역폭을 제공합니다. 이들은 앙상블 양자 메모리와의 통합으로 데스크탑 구현에서 에테르 또는 파이버를 통해 작동하는 중거리 시스템으로 확장 될 수 있습니다. 하이브리드 방식을 사용하거나 비 가우시안 프로세스를 기반으로 한 좋은 리피터를 개발하면 더 먼 거리이지만 더 느린 속도로 달성 할 수 있습니다.

장거리 통신

장거리 양자 순간 이동 (100 이상)km)는 활동적인 지역이지만 여전히 개방 된 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 편광 큐비 트는 긴 광섬유 통신 회선 및 무선을 통한 저속 텔레포 터링에 가장 적합한 반송파이지만 벨 프로토콜이 불완전하기 때문에이 프로토콜은 현재 확률이 높습니다.

확률 적 순간 이동과 얽힘얽힘 증류 및 양자 암호와 같은 작업에는 허용되지만 입력 정보를 완전히 저장해야하는 통신과는 분명히 다릅니다.

이 확률 적 성격을 취하면위성 구현은 현대 기술의 범위 내에 있습니다. 추적 방법의 통합 외에도 주요 문제는 빔 확산으로 인한 높은 손실입니다. 이것은 얽힘이 큰 구멍을 가진 위성에서 지상 망원경으로 분배되는 구성에서 극복 될 수있다. 600km 고도에서 20cm의 위성 조리개와 지상에서 망원경의 첫 번째 다이어프램을 가정하면 다운 링크 채널에서 약 75dB의 손실을 예상 할 수 있는데, 이는 지상에서 80dB 미만의 손실입니다. 지구 위성 또는 위성 위성 구현은 더 복잡합니다.

양자 메모리

순간 이동의 향후 사용확장 가능한 네트워크의 일부는 양자 메모리와의 통합에 직접적으로 의존합니다. 후자는 변환 효율, "방사선 문제"인터페이스, 쓰기 및 읽기 정확도, 저장 시간 및 대역폭, 고속 및 저장 용량 측면에서 우수해야합니다. 우선, 이것은 중계기를 사용하여 에러 정정 코드를 사용하여 직접 전송 범위를 넘어서 통신을 확장 할 수있게한다. 우수한 양자 메모리의 개발은 네트워크 및 텔레포트 통신을 통해 얽힘을 분산시킬뿐만 아니라 저장된 정보를 일관되게 처리 할 수있게한다. 궁극적으로 네트워크를 전세계에 분산 된 양자 컴퓨터 또는 양자 인터넷의 미래를위한 기반으로 전환 할 수 있습니다.

원근법 개발

원자 앙상블은 전통적으로 고려되었습니다효율적인 광물질 변환 및 밀리 초 저장 수명으로 인해 빛을 전체적으로 전송하는 데 필요한 100ms에 도달 할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 오늘날 우수한 스핀 앙상블 양자 메모리가 QED 회로의 확장 가능한 아키텍처와 직접 통합되는 반도체 시스템을 기반으로 더 유망한 개발이 예상됩니다. 이 메모리는 QED 회로의 코 히어 런스 시간을 연장 할 수있을뿐만 아니라 광 통신 및 칩 마이크로파 광자의 상호 변환을위한 광 마이크로파 인터페이스도 제공합니다.

따라서, 양자 인터넷 분야의 과학자들의 미래 발견은 양자 정보를 처리하기 위해 반도체 노드와 결합 된 장거리 광 통신에 기초 할 가능성이있다.

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