量子传播：物理学家的伟大发现

量子传送是量子信息中最重要的协议之一。 基于纠缠的物理资源，它是各种信息任务的主要元素，是量子技术的重要组成部分，在量子计算，网络和通信的进一步发展中发挥关键作用。

从科幻小说到科学家的发现

量子瞬移发现已经二十多年了，这也许是量子力学“奇怪”的最有趣和令人兴奋的后果之一。 在这些伟大的发现之前，这个想法属于科幻领域。 最初由Charles H. Fort于1931年发明的，“远传”一词已被用于指身体和物体从一个地方转移到另一个地方的过程，实际上并没有克服它们之间的距离。

1993年发表了一篇文章，描述了量子信息协议，称为“量子传送”，它共享了上述几个特征。 在其中，物理系统的未知状态被测量并随后在远程位置再现或“重组”（原始系统的物理元件保持在传输位置）。 这个过程需要经典的沟通方式，排除超光速通信。 它需要一个纠缠的资源。 事实上，传送可以被认为是量子信息的协议，其中最清楚地表明了纠缠的性质：没有它的存在，在描述量子力学的规律中这种传播状态是不可能的。

传播在信息科学发展中发挥积极作用。 一方面，这是一个概念性协议，在形式量子 信息理论 的发展中起着决定性的作用，另一方面是许多技术的基本组成部分。 量子转发器是长距离通信的关键要素。 量子开关的传送，基于测量和量子网络的计算 - 都是其衍生物。 它也被用作研究“极限”物理学的简单工具，涉及时间曲线和 黑洞 蒸发 。

今天，使用各种不同的基板和技术，包括光子量子位，核磁共振，光学模式，原子团，被俘原子和半导体系统，世界各实验室确认了量子传送。 在传送范围方面取得了显着成绩，卫星实验即将到来。 此外，尝试已经开始扩大到更复杂的系统。

量子位的传送

量子传送首先被描述为两级系统，即所谓的量子位。 该协议对待两个被称为爱丽丝和鲍勃的对方，他们以纯纠缠状态（也称为贝尔对）共享2个量子位A和B。 在Alice的入口处，给出了另一个量子位，其状态ρ是未知的。 然后，它执行称为贝尔发现的联合量子测量。 它携带a和A到贝尔的四个州之一。 结果，Alice的输入量子位的状态在测量期间消失，并且Bob的量子位同时投影到P ^† kρPk上。 在协议的最后阶段，爱丽丝将她测量的经典结果传递给鲍勃，鲍勃应用保利操作符P _k来恢复原始的ρ。

Alice量子位的初始状态被认为是未知的，否则协议被减少到远程测量。 此外，它本身可以是与第三方共享的更大的复合系统的一部分（在这种情况下，成功的传送需要再现与该第三方的所有相关性）。

量子传送的典型实验假定原始状态是纯净的，属于有限的字母表，例如Bloch球体的六极。 在相干性存在的情况下，重构状态的质量可以通过传送精度F∈[0,1]进行定量表达。 这是Alice和Bob的状态之间的准确性，在Bell的检测结果和原始字母表中的平均值。 对于小的精度值，有一些方法允许您执行不完美的传送而不使用复杂的资源。 例如，Alice可以通过将结果发送给Bob来准备最终状态来直接测量其初始状态。 这种测量准备策略被称为“传统传送”。 对于任意输入状态，它具有最大精度F _class = 2/3，这相当于Bloch球体的六极的相互无偏置状态的字母表。

因此，使用量子资源的明确指示是F> F _类的精度值。

不是一个单位的量子位

根据量子物理学，传送并不限于量子位，它可以包括多维系统。 对于每个有限测量d，我们可以使用可以从给定的最大混淆状态获得的最纠结状态向量的基础，并且满足tr（U ^） _j U _k ）=dδj _，k的单位运算符的基础{U _k }来制定理想的传送方案。 可以为所谓的任何有限维希尔伯特空间构建这样的协议。 离散变系统。

此外，量子传送还可以扩展到具有无限维希尔伯特空间的系统，称为连续变量系统。 通常，它们是通过光学玻色子模式实现的，其电场可以由正交运算器来描述。

速度和不确定性的原则

量子传送的速度是多少？ 信息以与传统速度相同的速度传输 - 也许以 光速。 理论上，它可以以经典的方式使用，例如在量子计算中，其中数据仅对接收者可用。

量子传讯是否违反 不确定性 的 原则？ 过去，科学家们并没有认真对待传送的想法，因为它被认为违反了禁止任何测量或扫描过程从原子或其他物体中提取所有信息的原则。 根据不确定性原则，对象被扫描越准确，受扫描过程影响越多，直到当对象的原始状态被破坏到不再能够获得足够信息以创建精确副本的程度达到一个点时。 这听起来很有说服力：如果一个人无法从对象中提取信息来创建一个理想的副本，那么后者是无法完成的。

量子传送虚拟人物

但是有六位科学家（Charles Bennett， Gilles Brassard，Claude Crapo，Richard Josa，Asher Perez和William Wuthers）已经找到了一种解决这个逻辑的方法，使用了称为爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森效应的量子力学的着名和矛盾的特征。 他们发现了一种方式来扫描远端传送的物体A的一些信息，以及通过上述效果将未验证部分的其余部分转移到与A无关的另一物体C。

在将来，根据扫描的信息对C应用影响，可以在扫描前输入C到状态A. A本身不再处于这种状态，因为扫描过程完全改变了，所以结果是传送，而不是复制。

争取范围

• 第一次量子传送是在几乎同时由来自因斯布鲁克大学和罗马大学的科学家进行的。 在实验期间，具有极化的原子光子和一对纠缠的光子中的一个经历了这样的变化，使得第二光子接收原始光子的偏振。 同时，两个光子彼此距离很远。
• 2012年，另一个量子传讯（中国科技大学）通过高海拔湖泊进行了97公里的距离。 来自上海的胡锦涛领导的科学家团队设法开发出一个能够准确瞄准射束的提示机制。
• 同年9月，进行了143公里的量子瞬发记录。 来自奥地利科学院和维也纳大学的奥地利科学家在Anton Zeilinger的领导下，成功地通过了拉帕尔马和特内里费两个加那利群岛之间的量子态。 该实验在开放空间中使用了两条光通信线路，一个量子和经典的频率不相关的极化 - 混淆的源光子对，超低噪声单光子检测器和耦合的时钟同步。
• 2015年，美国国家标准技术研究所的研究人员首次通过光纤传输超过100公里的信息。 由于在研究所创建的使用硅化钼的超导纳米线的单光子探测器，这成为可能。

很明显，理想的量子系统或技术还不存在，未来的伟大发现将在前进之中。 然而，可以尝试在特定的传送应用中识别可能的候选者。 合适的杂交，提供了兼容的基础和方法可以为量子传送及其应用提供最有希望的未来。

短距离

作为量子计算子系统的短距离（高达1米）的传送在半导体器件上是有希望的，其中最好的是QED方案。 特别地，超导转子量子位可以保证芯片上的确定性和高精度的传送。 它们还允许实时直接馈送，这在光子芯片上看起来是有问题的。 此外，与以前的方法（例如捕获的离子）相比，它们提供了更可扩展的架构和现有技术的更好的集成。 目前，这些系统的唯一缺点似乎是它们有限的相干时间（<100μs）。 可以通过将QED方案与半导体自旋集成存储器单元（具有氮取代的空位或稀土掺杂的晶体）集成来解决这个问题，这可以为量子数据存储提供长的相干时间。 目前，这个实施是科学界付出了很多努力的主题。

城市交流

城市规模（几公里）的传送通信可以使用光模式开发。 具有足够低的损耗，这些系统提供高速度和带宽。 它们可以从桌面实现扩展到通过以太网或光纤运行的中端系统，并可与集成量子存储器集成。 使用混合方法或通过开发基于非高斯过程的良好中继器可以实现更长的距离，但是在较低速度下。

长途通讯

长距离量子传送（超过100公里）是一个活跃的地区，但仍然存在着一个开放的问题。 极化立方体是长光纤通信线路和空中低速传送的最佳载体，但由于Bell的不完全检测，协议是概率的。

尽管如蒸馏纠缠和量子密码术这样的任务，概率传送和纠缠是可以接受的，但是与输入信息应该被完全保留的通信显然不同。

如果我们采用这个概率特征，卫星实现就在现代技术的范围之内。 除了跟踪方法的整合之外，主要问题是由于光束的扩展造成的高损耗。 这可以在从卫星到具有大孔径的地面望远镜分布的配置中克服。 假设在600公里的高度为20厘米的卫星孔径和地面上的第一个望远镜光阑，可以预期下行链路信道的损耗约为75 dB，这在地面上的损耗小于80 dB。 “地球卫星”或“卫星卫星”的实现更为复杂。

量子内存

将远程传送作为可扩展网络的组成部分的未来使用直接取决于其与量子存储器的集成。 在转换效率，记录和读取精度，存储时间和带宽，高速和存储容量方面，后者应具有优异的辐射物质接口。 首先，这将允许使用中继器使用纠错码来扩展远远超出直接传输的通信。 良好的量子存储器的开发不仅可以分配网络纠缠和传送通信，而且还可以一致地处理存储的信息。 最终，这可以将网络转变成国际分布式 量子计算机 或未来量子互联网的基础。

透视发展

传统上原子团体被认为是有吸引力的，因为它们有效地转换了“光物质”，并且它们的毫秒存储时间可能达到100毫秒，这是全球传输光所必需的。 然而，今天在半导体系统的基础上更有希望的发展，其中优秀的自旋组合量子存储器与QED方案的可扩展架构直接集成。 该存储器不仅可以延长QED电路的相干时间，而且可以为光电信号和芯片微波光子的相互转换提供光纤 - 微波接口。

因此，量子互联网领域科学家的未来发现可能是基于远距离光耦合，加上用于处理量子信息的半导体节点。