양자 순간이동

Quantum teleportation

양자 텔레포트는 양자 정보를 어느 정도 떨어진 곳에 있는 송신자에서 수신기로 전송하는 기술이다.텔레포트는 공상 과학 소설에서 물리적인 물체를 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 수단으로 흔히 묘사되는 반면, 양자 텔레포트는 양자 정보만 전달합니다.송신자는, 전송중의 특정의 양자 상태를 알 필요는 없습니다.게다가 수신자의 위치를 알 수 없지만, 텔레포트를 완료하려면 고전적인 정보를 송신자에서 수신자로 보내야 합니다.고전적인 정보를 보내야 하기 때문에 빛의 속도보다 더 빨리 텔레포트가 일어날 수 없다.

양자 텔레포트를 연구한 최초의 과학 논문 중 하나는 C가 발표한 '듀얼 클래식과 아인슈타인-포돌스키-로젠 [1]채널을 통한 미지의 양자 상태 원격 전달'이다. 1993년 H. Bennett, G. Brassard, C. Crépeau, R. Jozsa, A. PeresW. K. Wootters는 양자 정보를 주고받기 위해 이중 통신 방법을 사용했습니다.1997년 두 포페스쿠와 안톤 자이링거가 각각 [2][3]이끄는 두 연구팀에 의해 실험적으로 실현되었다.

양자 순간 이동에 관한 실험 determinations[4][5]1400km과 광자, 원자, 전자, 초전도 회로-뿐만 아니라 거리(870mi)Jian-Wei 팬의 그룹의 우주 양자 telep의 Micius 위성을 사용하여 성공적인 순간 이동의 최장 거리 등 정보 내용-에서 이루어졌다.ortati켜집니다.[6]

비기술적 요약

양자 순간 이동에 사용되는 기본 성분도

양자 정보 이론과 관련된 문제에서, 가능한 한 가장 단순한 정보 단위인 큐비트의 2가지 상태 시스템으로 작업하는 것이 편리합니다.큐비트는 0과 1의 측정값을 가질 수 있는 반면, 큐비트는 0 또는 1로만 측정할 수 있기 때문에 고전적인 계산 부분인 비트의 양자 아날로그로 기능합니다.양자 2상태 시스템은 정보를 잃지 않고 이 정보의 품질을 보존하지 않고 한 위치에서 다른 위치로 양자 정보를 전송하려고 합니다.이 과정은 "텔레포트"라는 단어의 의미와는 달리, 두 당사자가 정보(디지털 미디어, 음성, 텍스트 등)가 전송되는 동안 정지된 채로 있기 때문에, 통신의 전통적인 과정과 유사하게, 실제 통신사의 이동이 아닌 통신사 간에 정보를 이동하는 것을 포함한다.텔레포트에 필요한 주요 구성 요소는 송신자, 정보(큐비트), 전통적인 채널, 양자 채널, 수신자를 포함합니다.흥미로운 사실은 송신자가 송신되는 정보의 정확한 내용을 알 필요가 없다는 것입니다.양자 역학의 측정 가설(양자 상태에서 측정이 이루어지면 후속 측정이 "붕괴"되거나 관측된 상태가 손실됨)은 순간이동 내에 임포지션을 생성합니다. 전송자가 정보를 측정하면 수신자가 정보를 얻을 때 상태가 붕괴될 수 있습니다.e 송신자가 초기 측정을 했을 때와 상태가 변경되었습니다.

실제 텔레포트를 위해서는 큐비트가 전송되기 위해 얽힌 양자 상태 또는 벨 상태를 생성해야 한다.얽힘은 두 개 이상의 개별 입자를 단일 공유 양자 상태로 만들거나 배치함으로써 다른 물리적 시스템 간에 통계적 상관관계를 부과합니다.이 중간 상태는 양자 상태가 연결을 형성할 때 서로 의존하는 두 개의 입자를 포함합니다. 한 입자가 움직이면 다른 입자도 함께 움직입니다.얽힌 입자의 어떤 변화도 다른 입자도 그 변화를 겪게 되고, 얽힌 입자는 하나의 양자 상태로 작용하게 됩니다.이러한 상관관계는 벨 테스트 실험에서 검증되었듯이 서로 인과적 접촉에서 독립적으로 측정이 선택되고 수행될 때에도 유지된다.따라서, 시공간에서 한 지점에서 이루어진 측정 선택에서 비롯된 관측은 빛이 아직 거리를 이동할 시간이 없었음에도 불구하고, 다른 영역의 결과에 즉각적으로 영향을 미치는 것처럼 보인다; 결론은 특수 상대성 이론과 상충된다.이것은 EPR 패러독스로 알려져 있다.그러나 이러한 상관관계는 무통신 정리에 캡슐화된 문장인 빛의 속도보다 더 빠른 정보를 전송하기 위해 결코 사용될 수 없습니다.따라서, 수반되는 고전적인 정보가 도착할 때까지 큐비트를 재구성할 수 없기 때문에, 텔레포트 전체는 결코 초광성이 될 수 없습니다.

그런 다음 송신기는 큐비트에 입자(또는 정보)를 준비하여 중간 상태의 얽힌 입자 중 하나와 결합하여 얽힌 양자 상태의 변화를 일으킵니다.뒤엉킨 입자의 변화된 상태는 이 뒤엉킨 상태의 변화를 측정하는 분석기로 전송됩니다.「변경」측정을 실시하면, 수신자는 송신자가 가지고 있던 원래의 정보를 재작성할 수 있기 때문에, 다른 장소를 가지는 2명간에 정보가 텔레포트 또는 운반됩니다.초기 양자정보는 얽힘상태의 일부가 되면서 '파괴'되기 때문에 정보가 얽힘상태에서 재생되고 텔레포트 중에 복사되지 않음으로써 복제되지 않는 정리가 유지된다.

양자 채널은 모든 양자 정보 전송에 사용되는 통신 메커니즘이며 순간 이동에 사용되는 채널입니다(기존 통신 채널에 대한 양자 채널의 관계는 큐비트가 고전 비트의 양자 아날로그인 것과 유사합니다).단, 양자 채널 외에 큐비트에 수반되는 기존 채널을 사용하여 양자 정보를 "보존"해야 합니다.원래 큐비트와 얽힌 입자의 변화 측정을 할 때는 기존 채널을 통해 측정 결과를 전달해야 양자 정보를 재구성하고 수신자가 원래 정보를 얻을 수 있다.이러한 전통적인 채널의 필요성 때문에, 순간이동 속도는 빛의 속도보다 빠를 수 없습니다(따라서 무통신 정리가 위반되지 않습니다).이 방법의 주된 장점은 레이저의 광자를 사용하여 벨 상태를 공유할 수 있다는 것입니다.이 때문에, 물리 케이블이나 광섬유를 개입시켜 정보를 송신할 필요 없이, 오픈 스페이스로 텔레포트를 실시할 수 있습니다.

양자 상태는 원자의 다양한 자유도로 부호화될 수 있다.예를 들어 큐비트는 원자핵을 둘러싼 전자의 자유도 또는 원자핵 자체의 자유도로 부호화될 수 있다.따라서, 이러한 종류의 텔레포트를 수행하려면 수신 위치에 큐비트를 [7]각인할 수 있는 원자의 재고가 필요합니다.

2015년 현재 단일 광자, 광자 모드, 단일 원자, 원자 앙상블, 고체 결함 중심, 단일 전자, 초전도 회로의 양자 상태를 정보 [8]전달자로 채택하고 있다.

양자 텔레포트를 이해하려면 유한 차원 선형 대수, 힐버트 공간 및 투영 행렬에 대한 좋은 기초가 필요합니다.큐비트는 2차원 복소수 값 벡터 공간(힐버트 공간)을 사용하여 기술되며, 이는 아래에 제시된 형식 조작의 주요 기초이다.양자 역학의 실무 지식은 양자 순간 이동의 수학을 이해하는데 절대적으로 필요한 것은 아니지만, 그러한 지식이 없다면 방정식의 깊은 의미는 매우 미스터리하게 남아있을 수 있습니다.

프로토콜

광자의 양자 순간이동도

양자 텔레포트에 필요한 자원은 두 개의 고전적인 비트를 전송할 수 있는 통신 채널입니다. 즉, 큐비트의 얽힌 벨 상태를 생성하고 두 개의 다른 위치에 배포하는 수단, 벨 상태 큐비트 중 하나에 벨 측정을 수행하고 pa에서 다른 큐비트의 양자 상태를 조작합니다.ir. 물론 텔레포트할 입력 큐비트(양자 상태 ( \ ))도 필요합니다.그러면 프로토콜은 다음과 같습니다.

  1. Bell 상태는 1개의 큐비트가 로케이션A로 송신되고 다른 큐비트가 로케이션B로 송신되어 생성됩니다.
  2. 위치 A에서 Bell 상태 큐비트 및 텔레포트 대상 큐비트( \ )의 Bell 측정을 실시한다.이렇게 하면 4가지 측정 결과 중 하나를 얻을 수 있으며, 두 가지 고전적인 정보로 인코딩할 수 있습니다.다음으로 로케이션 A의 양쪽 큐비트가 폐기됩니다.
  3. 기존 채널을 사용하면 2비트가 A에서B로 전송됩니다(정보 전송은 빛의 속도에 의해 제한되므로 스텝1 이후 시간이 걸릴 가능성이 있는 유일한 스텝입니다).
  4. 위치 A에서 측정한 결과 위치 B에서의 벨 상태 큐비트는 4가지 상태 중 하나가 됩니다.이들 4개의 가능한 상태 중 하나는 원래의 양자 상태 와 동일하며, 나머지 3개는 밀접하게 관련되어 있다.실제로 취득한 스테이트의 ID는 2개의 클래식비트로 부호화되어 로케이션B로 송신됩니다.그 후 위치 B의 벨 상태 큐비트는 3가지 방법 중 하나로 변경되며, 그 결과 순간이동용으로 선택된 큐비트 과 동일한 큐비트가 됩니다.

위의 프로토콜은 큐비트가 개별적으로 주소 지정이 가능하다고 가정하며, 이는 큐비트가 구별 가능하고 물리적으로 라벨이 부착된다는 것을 의미합니다.그러나 동일한 두 큐비트가 파형 함수의 공간적 중첩으로 인해 구분할 수 없는 상황이 발생할 수 있습니다.이 상태에서는 큐비트를 개별적으로 제어하거나 측정할 수 없습니다.그럼에도 불구하고, 위에서 설명한 것과 유사한 텔레포트 프로토콜은 초기 벨 상태 없이 독립적으로 준비된 두 개의 큐비트를 이용함으로써 여전히 (조건부로) 구현될 수 있다.이는 구분 불가능한 두 큐비트의 [9]파동 함수에 의해 공유되는 분리된 영역 A와 B에서 공간적으로 국지화된 측정을 통해 큐비트의 내부 자유도(예: 스핀 또는 편파)를 해결함으로써 이루어질 수 있다.

실험 결과 및 기록

1998년 작업이 초기 [2]예측을 검증했고 2004년 8월 광섬유[10]이용한 텔레포트 거리를 600m로 늘렸다.이후 양자 순간이동 기록은 16km(9.9mi),[11] 97km(60mi),[12] 현재 카나리아스 [13]연구소의 두 천체관측소 사이에서 이루어진 카나리아 제도의 야외실험에서 설정된 143km(89mi)로 점차 늘어났다.광섬유를 [14]통해 102km(63mi) 거리에 도달한 초전도 나노와이어 검출기를 사용한 최신 기록(2015년 9월 기준)이 있다.재료 시스템의 경우 기록 거리는 21m(69ft)[15]입니다.

수신기가 여러 위치에 위치하는 "오픈 데스티네이션" 텔레포트라고 불리는 텔레포테이션의 변형은 5광자 [16]얽힘을 사용하여 2004년에 시연되었다.2개의 단일 큐비트의 복합 상태의 순간이동도 [17]실현되었다.2011년 4월, 실험자들은 강력한 비전통적 중첩 [18][19]상태를 유지하면서 최대 10MHz 대역폭의 빛의 파동 패킷 텔레포트를 시연했다고 보고했다.2013년 8월에는 하이브리드 기술을 이용한 "완전 결정론적" 양자 텔레포트의 성과가 [20]보고되었다.2014년 5월 29일, 과학자들은 양자 순간이동 방식으로 데이터를 전송하는 신뢰할 수 있는 방법을 발표했다.데이터의 양자 텔레포트는 이전에 수행되었지만 매우 신뢰할 수 없는 [21][22]방법으로 수행되었습니다.2015년 2월 26일, 차오양 루와 지안웨이 판이 이끄는 허페이 중국과학기술대학 과학자들은 양자 입자의 여러 자유도를 순간이동하는 첫 번째 실험을 수행했다.그들은 얽힌 [23][24][25]광자를 사용하여 150미터(490피트) 거리에 걸쳐 루비듐 원자의 앙상블에서 다른 루비듐 원자의 앙상블에 양자 정보를 텔레포트하는 데 성공했다.2016년 연구진은 허페이 광섬유망에서 [26]6.5km(4.0mi) 떨어진 두 개의 독립된 선원으로 양자 텔레포트를 시연했다.2016년 9월 캘거리 대학 연구진은 6.2km(3.9mi)[27]의 거리에 걸쳐 캘거리 메트로폴리탄 파이버 네트워크를 통해 양자 순간이동 현상을 시연했다.2020년 12월, INQNET 협력의 일환으로, 연구원들은 [28][29]총 44km(27.3mi)에 걸쳐 90%를 넘는 신뢰도로 양자 순간이동(quantum telephotation)을 달성했다.

연구자들은 또한 가스 구름 사이에 정보를 전달하기 위해 양자 순간이동(quantum teportation)을 성공적으로 사용했는데, 가스 구름은 거시적인 원자 [30][31]앙상블이기 때문에 주목할 만하다.

논리 연산을 순간이동할 수도 있습니다. 양자 게이트 순간이동 참조.2018년 예일대 물리학자들은 논리적으로 부호화된 큐비트 [32]사이의 결정론적 순간이동 CNOT 연산을 시연했다.

1993년에 이론적으로 처음 제안된 양자 텔레포트는 그 이후로 여러 가지 다양한 방법으로 입증되었다.다른 양자 물체들 중에서 단일 광자, 단일 원자 및 포획 이온의 2단계 상태를 사용하고 또한 두 개의 광자를 사용하여 수행되었다.1997년, 두 그룹이 실험적으로 양자 순간이동(quantum teportation)을 달성했다.두 포페스쿠가 이끄는 첫 번째 그룹은 이탈리아에 기반을 두고 있었다.몇 달 후 안톤 자이링거가 이끄는 실험 그룹이 그 뒤를 따랐다.

Popescu의 그룹이 수행한 실험에서 얻은 결과는 고전적인 채널만으로는 직선 편광 상태와 타원 편광 상태의 텔레포트를 재현할 수 없다는 결론을 내렸다.벨 상태 측정은 이상적인 [33]표현으로 텔레포트 성공률을 100%로 할 수 있는 4개의 벨 상태를 구분합니다.

Zeilinger의 그룹은 파라메트릭 다운 컨버전 과정을 실행함으로써 한 쌍의 얽힌 광자를 생산했습니다.두 광자를 도착 시간으로 구별할 수 없도록 하기 위해 펄스 펌프 빔을 사용하여 광자를 생성했다.그런 다음 좁은 대역폭 필터를 통해 광자를 보내 펌프 펄스의 길이보다 훨씬 긴 일관성 시간을 생성했습니다.그리고 나서 그들은 얽힘을 분석하기 위해 2광자 간섭계를 사용하여 양자 특성이 한 광자에서 다른 [3]광자로 전달될 때 인식될 수 있도록 했다.

Zeilinger 그룹이 수행한 첫 번째 실험에서 Photon 1은 45°에서 편광되었다.양자 텔레포트는 -⟩ 12\ \ ^^ { - } \ _ { } 상태에서 검출되었을 때 확인되며, 그 확률은 25%이다.빔 스플리터 뒤에는 f1과 f2의 2개의 검출기가 배치되어 있으며, 일치도를 기록함으로써 - 12 \ \ Psi ^ { - } \ _ { } ) 상태를 식별합니다.검출기 f1과 f2가 일치하면 광자 3은 45° 각도로 편광될 것으로 예측된다.광자 3은 +45° 및 -45° 편광을 선택하는 편광 빔 스플리터를 통과합니다.양자 순간 이동이 발생한 경우 +45° 출력에 있는 검출기 d2만 검출기를 등록합니다.-45° 출력에 위치한 검출기 d1은 광자를 검출하지 않는다.45° 해석에 의한 d2f1f2와 -45° 해석에 의한 d1f1f2가 일치하지 않는 경우, 편광자 1로부터의 정보가 양자 [3]텔레포트를 이용해 광자 3에 텔레포트 된 증거이다.

양자 순간이동 143km 이상

Zeilinger의 그룹은 실시간 액티브 피드포워드와 143킬로미터가 넘는 거리인 카나리아 제도 라팔마와 테네리페 사이의 두 개의 자유 공간 광학 링크인 양자 및 고전적 광 링크를 사용하여 실험을 개발했다.순간이동 달성을 위해 주파수-상관없는 편광-결합 광자 쌍원, 초저소음 단일 광자 검출기 및 얽힘 보조 클럭 동기화가 구현되었다.보조 [12]상태를 공유하기 위해 두 위치가 서로 얽혔습니다.

라 팔마와 테네리페는 양자 캐릭터인 앨리스와 밥에 비유될 수 있다.Alice와 Bob은 위의 얽힌 상태를 공유하며, Photon 2는 Alice와, Photon 3은 Bob과 함께 있다.제3자인 Charlie는 광자 1(입력 광자)을 제공하며, 일반 편광 상태에서 앨리스에게 순간적으로 전송됩니다.

여기서 β(\ 앨리스나 밥이 알지 못합니다.

Alice는 2개의 광자를 4개의 벨 상태 중 하나에 무작위로 투영하는 벨 상태 측정(BSM)을 수행합니다. 각 광자는 25%의 확률을 가집니다.광자 3은 입력 상태인 에 투영됩니다.앨리스는 BSM의 결과를 고전적인 채널을 통해 밥에게 전송하고, 밥은 대응하는 유니터리 연산을 적용하여 광자 1의 초기 상태에서 광자 3을 얻을 수 있다. - 12 ( \ ^ { - } \ _ { } )상태를 검출하면 아무것도 할 필요가 없습니다. +12 \^ { + } \ _ { } 상태가 [12]검출되면 Bob은 컴포넌트와 수직 컴포넌트 사이에 \ \ } 위상 시프트를 적용해야 합니다.

Zeilinger 그룹의 결과는 평균 충실도(측정된 밀도 매트릭스와 함께 이상적인 순간 보고 상태의 중첩)가 0.863이고 표준 편차는 0.038이라는 결론을 내렸다.실험 중 링크 감쇠는 강풍과 급격한 온도 변화로 인해 28.1dB와 39.0dB 사이였습니다.양자 자유 공간 채널의 높은 손실에도 불구하고, 평균 충실도는 기존의 한계인 2/3을 초과했습니다.따라서, Zeilinger의 그룹은 143 [12]킬로미터의 거리에서 양자 순간 이동을 성공적으로 보여주었다.

다뉴브 강을 가로지르는 양자 순간이동

2004년에는 비엔나 다뉴브강을 건너 총 600m에 이르는 양자 순간이동 실험이 실시됐다.800m 길이의 광섬유 와이어가 다뉴브강 하류 공공하수도 시스템에 설치돼 온도 변화와 다른 환경 영향에 노출됐다.앨리스는 광자 b, 입력 광자, 그리고 뒤엉킨 광자 쌍의 부분인 광자 c(광자 c와 d)에 대해 공동 벨 상태 측정(BSM)을 수행해야 한다.밥의 수신기 광자인 광자 d는 앨리스가 관찰한 상태에 따라 달라지는 위상 회전을 제외하고 입력 광자 b에 대한 모든 정보를 포함할 것이다.이 실험은 앨리스의 입력 광자를 정확하게 복제하기 위해 빠른 전기 광학 변조기가 있는 고전적인 마이크로파 채널을 통해 앨리스의 측정 결과를 전송하는 능동 피드포워드 시스템을 구현했다.45°의 선형 편광 상태에서 얻은 텔레포트 충실도는 0.84와 0.90 사이에서 변화했으며, 이는 기존의 충실도 한계인 0.[10]66을 훨씬 초과한다.

원자 결정론적 양자 순간이동

이 프로세스에는 송신자로부터의 소스 큐비트, 보조 큐비트 및 보조 큐비트와 최대 얽힌 수신자의 타깃 큐비트의 3가지 큐비트가 필요합니다.이 실험에서는 큐비트로 Ca+ 이 사용되었습니다.이온 2와 이온 3은 벨 상태 + ( + 3) { \psi ^ { + } \ _ { = {{ \ _ { { 1 \_ { } )\ 이온 1의 상태는 임의로 작성한다.이온 1과 이온 2의 양자 상태는 특정 파장의 빛에 의해 측정됩니다.이 실험에서 얻은 신뢰도는 73%에서 76% 사이였습니다.이는 완전히 고전적인 [34]자원을 사용하여 얻을 수 있는 최대 평균 충실도 66.7%보다 큽니다.

지상에서 위성까지 양자 순간이동

이 실험에서 순간 전송되는 양자 상태는 H1 + V1 \_{1}=\ H _이며, α (\\})와β (\ _1})는 알 수 없는 복소수이다nts는 수평 편파 상태를 , V는 편파 상태를 나타냅니다은 수직 편파 상태를 나타냅니다.이 상태에서 준비된 큐비트는 티베트 응가리의 실험실에서 생성됩니다.목표는 큐비트의 양자 정보를 약 500km 상공에서 2016년 8월 16일 발사된 미키우스 위성으로 순간이동시키는 것이었다.벨 상태 측정이 광자 1 및 2에 대해 수행되고 결과 + 12 1 ( H 2 + V 1 2) { \phi ^ { + } \_ { }{ 1 } { \tate. 검출된 벨 상태가 - 12 ( 2- 1 2 ){ \ ^ { - } \ _ { }= { {\ _ { } ( \ rangle _ _ _ }원하는 양자 상태.지상국과 위성 사이의 거리는 적게는 500km에서 많게는 1,400km로 변화한다.거리의 변화로 인해 업링크의 채널 손실은 41dB에서 52dB 사이에서 변화합니다.이 실험에서 얻은 평균 충실도는 0.80이었고 표준 편차는 0.01이었습니다.따라서, 이 실험은 양자 텔레포트를 사용하여 500–1,400 km 거리에 걸쳐 지상에서 위성까지 업링크를 성공적으로 확립했다.이것은 글로벌 규모의 양자 인터넷을 [6]구축하기 위한 필수 단계입니다.

정식 프레젠테이션

텔레포트 프로토콜은 수학적으로 작성될 수 있는 다양한 방법이 있습니다.어떤 것들은 매우 간결하지만 추상적이고, 어떤 것들은 장황하지만 솔직하고 구체적이야.아래의 프레젠테이션은 후자의 형태입니다.상세하지만 각각의 양자 상태를 단순하고 직접 보여주는 장점이 있습니다.이후의 섹션에서는 보다 콤팩트한 표기를 검토합니다.

텔레포트 프로토콜은 앨리스가 소유하고 있는 양자 상태 큐비트로 시작하여 밥에게 전달합니다.이 큐비트는 일반적으로 브라켓 표기법으로 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

위의 첨자 C는 이 상태를 아래의 A 및 B와 구별하기 위해서만 사용됩니다.

다음으로, 프로토콜은 Alice와 Bob이 최대한으로 얽힌 상태를 공유해야 합니다.이 상태는 Alice와 Bob의 상호 합의에 따라 미리 고정되어 있으며, 표시된 4개의 벨 상태 중 하나가 될 수 있습니다.어느 것이든 상관없다.

+ ⟩ ( a 0