Comunicazione quantistica

processo di sviluppo

Nel 1993, CHBennett ha proposto il concetto di comunicazione quantistica; nello stesso anno, 6 scienziati provenienti da diversi paesi hanno proposto uno schema per realizzare il teletrasporto quantistico combinando metodi classici e quantistici: trasferendo lo stato quantistico sconosciuto di una particella in un altro In un altro luogo, un'altra particella è preparata allo stato quantistico, mentre la particella originale rimane in posizione. L'idea di base è di dividere le informazioni originali in due parti: informazioni classiche e informazioni quantistiche, che vengono trasmesse al ricevitore rispettivamente attraverso il canale classico e il canale quantistico. Le informazioni classiche sono ottenute dal mittente che esegue un qualche tipo di misurazione sulla sostanza originale, e le informazioni quantistiche sono il resto delle informazioni che il mittente non ha estratto durante la misurazione; il ricevitore può preparare lo stato quantistico originale dopo aver ottenuto questi due tipi di informazioni completamente riprodotte. In questo processo, viene trasmesso solo lo stato quantico della sostanza originale, non la sostanza originale stessa. Il mittente non può nemmeno sapere nulla di questo stato quantistico, mentre il ricevitore mette altre particelle nello stato quantistico della materia originale. In questo schema, la non località degli Stati impigliati svolge un ruolo estremamente importante. Il teletrasporto quantistico non è solo importante nel campo della fisica per le persone a comprendere e rivelare le misteriose leggi della natura, ma può anche utilizzare lo stato quantistico come vettore di informazioni per completare la trasmissione di informazioni di grande capacità attraverso la trasmissione dello stato quantistico, ottenendo in linea di principio indecifrabile comunicazione confidenziale quantistica.

Nel 1997, Pan Jianwei, un giovane studioso cinese che studiava in Austria, collaborò con lo studioso olandese Bomiister e altri per realizzare la trasmissione remota di stati quantistici sconosciuti per la prima volta. Questa è la prima volta al mondo che uno stato quantistico è stato trasferito con successo da un fotone nella Terra A a un fotone nella Terra B. Nell'esperimento, viene espresso solo lo "stato" delle informazioni quantistiche e il fotone stesso come vettore di informazioni non viene trasmesso.

Nel 2012, lo scienziato cinese Pan Jianwei e altri hanno raggiunto con successo i primi 100 chilometri di teletrasporto quantistico dello spazio libero e distribuzione dell'entanglement nel mondo, gettando le basi tecniche per il lancio del primo "satellite di comunicazione quantistica" al mondo. La rivista accademica internazionale autorevole "Nature" si è concentrata su questo risultato il 9 agosto. "La trasmissione di successo di 100 chilometri su un terreno ad alta perdita significa che la distanza di trasmissione nello spazio a bassa perdita può raggiungere più di 1.000 chilometri, risolvendo fondamentalmente il problema della trasmissione di informazioni a lunga distanza dei satelliti di comunicazione quantistica." Peng Chengzhi, membro del team di ricerca, ha affermato che Quantum La svolta nella tecnologia di base dei satelliti di comunicazione dimostra anche che è tecnicamente fattibile costruire una rete di comunicazione quantistica globale in futuro. Il 9 agosto, la rivista accademica internazionale autorevole "Nature" si è concentrata su questo risultato, rappresentando il suo riconoscimento generale nella comunità accademica internazionale. La rivista "Nature" ha detto che sta "promettendo di diventare una pietra miliare della comunicazione quantistica a lunga distanza", "verso una rete quantistica globale", il sito web della Società fisica europea, la rivista statunitense "Science News" e altri rapporti speciali.

Contenuti fondamentali

La cosiddetta comunicazione quantistica si riferisce a un nuovo tipo di metodo di comunicazione che utilizza l'effetto di entanglement quantistico per trasmettere informazioni. Si tratta di un nuovo sviluppo interdisciplinare sviluppato negli ultimi due decenni e di un nuovo campo di ricerca che combina teoria quantistica e teoria dell'informazione.

La comunicazione quantistica ottica si basa principalmente sulla teoria degli stati quantistici impigliati, utilizzando il teletrasporto quantistico (trasmissione) per ottenere il trasferimento delle informazioni. Secondo la verifica sperimentale, non importa quanto siano distanti due particelle con stati impigliati, finché una cambia, anche l'altra cambierà istantaneamente. Il processo di utilizzo di questa funzione per realizzare la comunicazione quantistica ottica è il seguente: una coppia di particelle con stati impigliati sono costruiti in anticipo. Le due particelle sono posizionate sui due lati della comunicazione, e le particelle con stato quantico sconosciuto e le particelle del mittente vengono misurate congiuntamente (un'operazione), e le particelle del ricevitore collassano istantaneamente (cambia) e il collasso (cambiamento) è in un certo stato. Questo stato è simmetrico con lo stato delle particelle del mittente dopo il collasso (cambiamento), e quindi le informazioni di misurazione congiunta vengono trasmesse al ricevitore attraverso il canale classico e il ricevitore esegue la trasformazione unitaria sulle particelle compresse in base alle informazioni ricevute (equivalente alla trasformazione inversa), è possibile ottenere lo stesso stato quantistico sconosciuto del mittente.

Rispetto alla comunicazione quantistica ottica, la comunicazione classica non può essere paragonata alla sua sicurezza ed efficienza. La comunicazione Security-Quantum non "perderà". La chiave per la crittografia quantistica è casuale. Anche se viene intercettata da una persona rubata, la chiave corretta non può essere ottenuta, quindi le informazioni non possono essere decifate. Due particelle con stati impigliati nella mano, lo stato quantico di una delle particelle cambia, lo stato quantistico dell'altro lato cambierà immediatamente, e secondo la teoria quantistica, qualsiasi osservazione e interferenza macroscopica cambierà immediatamente lo stato quantistico, causandone il collasso, quindi le informazioni ottenute dai ladri a causa dell'interferenza sono state distrutte, non le informazioni originali. Efficiente, lo stato quantistico sconosciuto che viene trasmesso sarà in uno stato impigliato prima di essere misurato, ovvero rappresenta più stati contemporaneamente, ad esempio, uno stato quantistico può rappresentare due numeri 0 e 1 contemporaneamente, 7 tali stati quantistici possono rappresentare 128 contemporaneamente Stato o 128 cifre: 0 -127. Tale trasmissione della comunicazione quantistica ottica equivale a 128 volte del metodo di comunicazione classico. È concepibile che se la larghezza di banda di trasmissione è 64 bit o superiore, allora la differenza di efficienza sarà una potenza sorprendente di 2 a N, e superiore.

Ecco un'ulteriore spiegazione dell'entanglement quantistico. L'entanglement quantistico può essere compreso con "Il gatto di Schrodinger": quando metti un gatto in una scatola contenente veleno, e poi copri la scatola, dopo un po', chiedi se il gatto è vivo o morto? Quantum La risposta alla fisica è: è sia viva che morta. Alcune persone diranno che non sai se apri la scatola e la guardi. Sì, saprete se il gatto è vivo o morto quando aprite la scatola, ma secondo l'interpretazione della fisica quantistica: questo stato vivo o morto è il risultato dell'osservazione umana, vale a dire, i disturbi macro umani rendono i gatti morti o vivi, non il vero stato quando la scatola è coperta. Allo stesso modo, particelle microscopiche sono state negli stati "morto" e "vivo" prima di essere "disturbato" Si può dire che è sia "0" e "1".

La comunicazione quantistica ha le caratteristiche dell'alta efficienza e della sicurezza assoluta, ed è il punto di riferimento della fisica quantistica internazionale e della scienza dell'informazione in questo momento. Per tracciare l'origine della comunicazione quantistica, dobbiamo iniziare con l'evidenza del "fantasma" di Einstein, l'entanglement quantistico.

Poiché le persone sono scettiche sull'interazione tra particelle impigliate, i fisici hanno cercato di verificare se questa proprietà magica è vera per decenni.

Nel 1982, il fisico francese Alain Aspect e il suo team hanno completato con successo un esperimento che ha confermato l'esistenza del fenomeno dell'"entanglement quantistico" delle particelle microscopiche. Questa conclusione Ha un grande impatto sulla visione del mondo mainstream della scienza occidentale. Dal momento che Cartesio, Galileo e Newton, il pensiero mainstream della comunità scientifica occidentale crede che le componenti dell'universo siano indipendenti l'una dall'altra, e l'interazione tra di loro è limitata dallo spazio e dal tempo (vale a caso, localizzata). L'entanglement quantistico conferma l'esistenza dell'azione spettrale di Einstein in lontananza. Dimostra che tra due sostanze qualsiasi, non importa quanto lontano, possono influenzare l'un l'altro e non sono influenzati da spazio-tempo quadridimensionale. Il vincolo non è locale e l'universo ha profonde connessioni interne nel mondo.

Sulla base della teoria dell'entanglement quantistico, nel 1993, lo scienziato americano C.H. Bennett propose il concetto di comunicazione quantistica (Quantum Teleportation). La comunicazione quantistica è un metodo di comunicazione che trasporta informazioni da stati quantistici. Utilizza il principio dell'entanglement quantistico di particelle elementari come i fotoni per implementare un processo di comunicazione sicuro. L'introduzione del concetto di comunicazione quantistica ha reso il beneficio "spooky"-quantum entanglement di Einstein iniziare a esercitare davvero il suo vero potere.

Nel 1993, dopo che Bennett ha proposto il concetto di comunicazione quantistica, sei scienziati provenienti da diversi paesi, basati sulla teoria dell'entanglement quantistico, hanno proposto l'uso di metodi classici e quantistici per ottenere il teletrasporto quantistico, cioè il quantum sconosciuto di una particella Lo stato viene trasferito in un altro luogo, e un'altra particella è pronta allo stato quantistico, e la particella originale rimane in posizione. Questo è lo schema di base originale della comunicazione quantistica. Il teletrasporto quantistico non è solo importante nel campo della fisica per le persone per comprendere e rivelare le misteriose leggi della natura, ma può anche utilizzare gli stati quantistici come vettori di informazioni per completare la trasmissione di informazioni di grande capacità attraverso la trasmissione di stati quantistici per ottenere indimenticabili quantistiche in linea di principio. Comunicazione riservata.

Nel 1997, il giovane studioso cinese Pan Jianwei, che ha studiato in Austria, ha collaborato con lo studioso olandese Bomiister e altri per realizzare per la prima volta la trasmissione remota di stati quantistici sconosciuti. Questa è la prima volta al mondo che uno stato quantistico è stato trasferito con successo da un fotone nella Terra A a un fotone nella Terra B. Nell'esperimento, viene espresso solo lo "stato" delle informazioni quantistiche e il fotone stesso come vettore di informazioni non viene trasmesso.

Dopo più di 20 anni di sviluppo, la disciplina della comunicazione quantistica si è gradualmente spostata dalla teoria alla sperimentazione e allo sviluppo pratico. I principali campi coinvolti includono: comunicazione della crittografia quantistica, teletrasporto quantistico remoto e codifica quantistica densa.

I sistemi di comunicazione quantistica sono divisi in due categorie a seconda che le informazioni che trasmettono siano classiche o quantistiche. Il primo è utilizzato principalmente per la trasmissione di chiavi quantistiche, mentre il secondo può essere utilizzato per la distribuzione del teletrasporto quantistico e dell'entanglement quantistico. La cosiddetta trasmissione invisibile si riferisce a una sorta di trasmissione di informazioni "completa" che è separata dalla cosa reale. Dal punto di vista della fisica, il processo di trasmissione invisibile può essere immaginato come segue: prima estrarre tutte le informazioni dell'originale, e poi trasmettere le informazioni al luogo di ricezione, e il ricevitore seleziona la stessa unità di base che costituisce l'originale in base alle informazioni, e produce una replica perfetta dell'originale. Tuttavia, il principio di incertezza della meccanica quantistica non consente l'estrazione accurata di tutte le informazioni dell'originale, e questa replica non può essere perfetta. Quindi per molto tempo, il teletrasporto non era altro che una fantasia.

Nel 1993, sei scienziati provenienti da diversi paesi hanno proposto uno schema che utilizza metodi classici e quantistici per ottenere il teletrasporto quantistico: per trasferire lo stato quantistico non riconosciuto di una particella in un altro luogo e preparare un'altra particella allo stato quantistico, le particelle originali rimangono in posizione. L'idea di base è di dividere le informazioni originali in due parti: informazioni classiche e informazioni quantistiche, che vengono trasmesse al ricevitore rispettivamente attraverso il canale classico e il canale quantistico. Le informazioni classiche sono ottenute dal mittente che prende una certa misurazione della sostanza originale, e le informazioni quantistiche sono il resto delle informazioni che il mittente non ha estratto nella misurazione; dopo che il ricevitore ha ottenuto questi due tipi di informazioni, lo stato quantistico originale può essere preparato completamente replica. In questo processo, viene trasmesso solo lo stato quantico della sostanza originale, non la sostanza originale stessa. Il mittente non può nemmeno sapere nulla di questo stato quantistico, mentre il ricevitore mette altre particelle nello stato quantistico originale.

In questo schema, la non località degli Stati impigliati svolge un ruolo cruciale. La meccanica quantistica è una teoria non locale, che è stata confermata dai risultati sperimentali che violano la disuguaglianza di Bell. Pertanto, la meccanica quantistica presenta molti effetti contro-intuitivi. Nella meccanica quantistica, due stati particellari possono essere preparati in modo tale che la relazione tra di loro non possa essere spiegata in modo classico. Tale stato è chiamato stato impigliato. L'entanglement quantistico si riferisce all'interazione tra due o più sistemi quantistici Associazione non locale non classica. Il teletrasporto quantistico non è solo estremamente importante per le persone per comprendere e rivelare le misteriose leggi della natura nel campo della fisica, ma può anche usare lo stato quantistico come vettore di informazioni per realizzare la trasmissione di informazioni di grande capacità attraverso la trasmissione dello stato quantistico, che è indecifrabile in linea di principio. Comunicazione quantistica confidenziale.

Nel 1997, Pan Jianwei, un giovane studioso cinese che studiava in Austria, e lo studioso olandese Bomiister, ecc., collaborarono per la prima volta per realizzare la trasmissione a lunga distanza di stati quantistici sconosciuti. Questa è la prima volta al mondo che uno stato quantistico è stato trasferito con successo da un fotone nella Terra A a un fotone nella Terra B. Ciò che è stato trasmesso nell'esperimento era solo per esprimere lo "stato" delle informazioni quantistiche, e il fotone stesso come vettore di informazioni non è stato trasmesso. Presto, Pan Jianwei e i suoi collaboratori hanno fatto nuove scoperte nello studio di come purificare gli stati di entangled quantistici di alta qualità. Per il teletrasporto degli stati quantistici su lunghe distanze, è spesso necessario consentire a due luoghi distanti di condividere in anticipo il più grande stato di impigliamento quantistico. Tuttavia, a causa di vari rumori ambientali inevitabili, la qualità degli stati quantistici impigliati peggiorerà sempre di più con l'aumentare della distanza di trasmissione. Pertanto, come purificare gli stati di entangled quantistici di alta qualità è una questione importante nella ricerca sulla comunicazione quantistica in questo momento.

Molti gruppi di ricerca internazionali stanno lavorando su questo argomento e hanno proposto una serie di soluzioni teoriche per la purificazione degli stati quantistici impigliati, ma nessuno di essi può essere raggiunto con la tecnologia esistente. Più tardi, Pan Jianwei e altri scoprirono la soluzione teorica della purificazione quantistica dello stato impigliato che è sperimentalmente fattibile utilizzando la tecnologia esistente, e in linea di principio risolvano il problema fondamentale della comunicazione quantistica a lunga distanza al giorno d'oggi. Questo risultato della ricerca è stato altamente valutato dalla comunità scientifica internazionale ed è chiamato "un salto nella ricerca di comunicazione quantistica a lunga distanza".