квантовая телепортация

# тег · @ автор · ! учёный

Квантовая телепортация — протокол передачи квантового состояния, использующий предварительно распределённую запутанную пару и классический канал. В отличие от факса, состояние не копируется, а переносится с уничтожением исходного (по теореме о запрете клонирования). Измерение Белла даёт один из четырёх результатов; эти классические биты сообщают получателю, какое унитарное преобразование нужно применить, чтобы восстановить состояние. Протокол не передаёт информацию быстрее света, так как классический сигнал ограничен этой скоростью.

История

Протокол предложили в 1993 году Чарльз Беннетт, Жиль Брассар и коллеги. В 1997 году группы Антона Цайлингера и Франческо Де Мартини впервые телепортировали состояние фотонов. Рекорд дальности — 143 км — был установлен в 2012 году.

Как работает

Алиса и Боб получают по частице из запутанной пары (например, два фотона с перепутанной поляризацией). Алиса соединяет частицу X, состояние которой нужно передать, со своей частью запутанной пары и проводит измерение Белла. Оно даёт один из четырёх результатов, что кодируется двумя битами. Получив эти биты, Боб выполняет над своей частицей одну из четырёх операций, в точности восстанавливая состояние X. Исходное состояние X разрушается при измерении.

💡 Без классического сигнала с результатами измерения получатель видит лишь случайный шум. Поэтому телепортация не нарушает причинность и не позволяет сверхсветовую связь.

Алиса хочет передать Бобу состояние своей частицы (например, поляризацию фотона — направление колебаний), но прямое измерение разрушит его из-за принципа неопределённости. Вместо этого они используют пару запутанных частиц: по одной у каждого. Алиса выполняет совместное измерение своей частицы и своей половины запутанной пары, получая два классических бита. Эти биты она отправляет Бобу. В зависимости от них Боб применяет к своей частице одну из четырёх операций (поворот поляризации), после чего она принимает состояние исходной частицы. Исходное состояние при этом исчезает.

История

Как работает

💡 Термин «телепортация» ввёл писатель Чарльз Форт в 1931 году. Идея квантовой телепортации была популяризована после статьи в Nature (1997) с фотографией «луча Star Trek», хотя протокол переносит только квантовую информацию, а не материю.

Квантовая телепортация — процедура перемещения квантового состояния без физического переноса носителя. Необходимы: максимально запутанная пара (состояние Белла), классический канал и локальные операции. Исходное состояние: |ψ⟩₁ = α|0⟩₁ + β|1⟩₁. Запутанная пара: |Φ⁺⟩₂₃ = (|00⟩₂₃ + |11⟩₂₃)/√2. Измерение Белла над кубитами 1 и 2 проецирует кубит 3 в одно из четырёх состояний, которые корректируются операторами Паули (I, X, Z, XZ) соответственно двум классическим битам, восстанавливая |ψ⟩₁. При измерении амплитуды α и β не раскрываются. Протокол применим к любым состояниям, но требует точной запутанности и защиты от декогеренции.

История

Концепция предложена в 1993 году Чарльзом Беннеттом, Жилем Брассаром и соавторами. Первые эксперименты с фотонами провели в 1997 году группы Антона Цайлингера и Франческо Де Мартини. В 2012 году осуществлена телепортация на расстояние 143 км. В 2016 году китайский спутник «Мо-Цзы» (Миций) телепортировал состояния между спутником и Землёй.

Как работает

Телепортация использует запутанность и линейность. Измерение Белла проецирует одну пару в запутанное состояние, а удалённая частица корректируется унитарной операцией. Необходимость классического сигнала обеспечивает причинность. Невозможность прямого измерения исходного состояния связана с принципом неопределённости. Протокол является формой квантовой коррекции ошибок. Экспериментально применяются фотоны с запутанной поляризацией, временными интервалами или орбитальным угловым моментом. Источники запутанных пар — спонтанное параметрическое рассеяние; измерение Белла проводится интерферометрами, а условные операции — быстрыми модуляторами.

|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle + |11\rangle)

|\Phi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle \pm |11\rangle), |\Psi^\pm\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle \pm |10\rangle)

Четыре ортонормированных запутанных состояния двух кубитов; знаки ± различают симметричные и антисимметричные комбинации. Измерение над двумя кубитами проецирует их в одно из этих состояний, выдавая 2 бита информации.

I = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, X = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, Z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}, XZ = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}

I — тождественная операция (ничего не делать); X — квантовый вентиль НЕ (переворачивает 0↔1); Z — фазовый вентиль (меняет знак амплитуды у |1⟩); XZ — последовательное применение X и Z. Применяются к кубиту Боба для восстановления исходного состояния после получения классических битов.

Открытые проблемы и интересные факты

Увеличение дальности телепортации с сохранением точности (проблема декогеренции и потерь в оптоволокне или свободном пространстве); Телепортация сложных многочастичных состояний или состояний макроскопических объектов (например, ансамблей атомов); Создание квантовых повторителей для построения глобального квантового интернета; Совместимость с различными физическими платформами (гибридная телепортация между атомами и фотонами)

Пока нет статей

квантовая телепортация

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме