Giao tiếp lượng tử

quá trình phát triển

Năm 1993, CHBennett đưa ra khái niệm truyền thông lượng tử; trong cùng năm đó, 6 nhà khoa học đến từ các quốc gia khác nhau đã đề xuất một kế hoạch hiện thực hóa dịch chuyển lượng tử bằng cách kết hợp các phương pháp cổ điển và lượng tử: chuyển trạng thái lượng tử chưa biết của một hạt đến một nơi khác, một hạt khác được chuẩn bị về trạng thái lượng tử, trong khi nguyên hạt vẫn ở vị trí. Ý tưởng cơ bản là chia thông tin gốc thành hai phần: thông tin cổ điển và thông tin lượng tử, chúng được truyền tới máy thu lần lượt qua kênh cổ điển và kênh lượng tử. Thông tin cổ điển thu được bằng cách người gửi thực hiện một số phép đo trên chất gốc, và thông tin lượng tử là phần còn lại của thông tin mà người gửi không trích xuất trong quá trình đo; máy thu có thể chuẩn bị trạng thái lượng tử ban đầu sau khi thu được hai loại thông tin này được tái tạo đầy đủ. Trong quá trình này, chỉ có trạng thái lượng tử của chất ban đầu được truyền đi, không phải của chính chất ban đầu. Người gửi thậm chí có thể không biết gì về trạng thái lượng tử này, trong khi người nhận đặt các hạt khác vào trạng thái lượng tử của vật chất ban đầu. Trong sơ đồ này, tính phi địa phương của các quốc gia bị vướng mắc đóng một vai trò cực kỳ quan trọng. Dịch chuyển lượng tử không chỉ quan trọng trong lĩnh vực vật lý để con người hiểu và khám phá các quy luật bí ẩn của tự nhiên, mà còn có thể sử dụng trạng thái lượng tử như một vật mang thông tin để hoàn thành việc truyền tải thông tin dung lượng lớn thông qua việc truyền tải trạng thái lượng tử, đạt được về nguyên tắc thông tin liên lạc bí mật Lượng tử không thể giải mã.

Năm 1997, Pan Jianwei, một học giả trẻ người Trung Quốc học ở Áo, đã hợp tác với học giả Hà Lan Bomiister và những người khác để lần đầu tiên nhận ra sự truyền từ xa của các trạng thái lượng tử chưa biết. Đây là lần đầu tiên trên thế giới, một trạng thái lượng tử được chuyển thành công từ một photon ở Trái đất A sang một photon ở Trái đất B. Trong thí nghiệm, chỉ có" trạng thái" thông tin lượng tử được thể hiện, và bản thân photon với tư cách là vật mang thông tin sẽ không được truyền đi.

Vào năm 2012, nhà khoa học Trung Quốc Pan Jianwei và những người khác đã thực hiện thành công 100 km dịch chuyển lượng tử và phân bố vướng víu trong không gian tự do đầu tiên trên thế giới, đặt nền tảng kỹ thuật để phóng vệ tinh" vệ tinh liên lạc lượng tử" ;. Tạp chí học thuật có thẩm quyền quốc tế" Nature" tạp chí tập trung vào thành tựu này vào ngày 9 tháng 8." Truyền tải thành công 100 km trên mặt đất có tổn thất cao có nghĩa là khoảng cách truyền trong không gian tổn thất thấp có thể đạt hơn 1.000 km, giải quyết cơ bản vấn đề truyền thông tin đường dài của vệ tinh liên lạc lượng tử." Thành viên nhóm nghiên cứu Peng Chengzhi nói rằng Lượng tử Sự đột phá trong công nghệ cốt lõi của vệ tinh truyền thông cũng cho thấy rằng việc xây dựng một mạng lưới liên lạc lượng tử toàn cầu trong tương lai là khả thi về mặt kỹ thuật. Vào ngày 9 tháng 8, tạp chí học thuật có thẩm quyền quốc tế" Nature" tập trung vào thành tích này, đại diện cho sự công nhận chung của nó trong cộng đồng học thuật quốc tế." Bản chất" tạp chí nói rằng đó là" hứa hẹn sẽ trở thành một cột mốc quan trọng của giao tiếp lượng tử đường dài" ;," hướng tới một mạng lượng tử toàn cầu" ;, trang web của Hiệp hội Vật lý Châu Âu, Hoa Kỳ" Science News" tạp chí và các báo cáo đặc biệt khác.

Nội dung cơ bản

Cái gọi là giao tiếp lượng tử đề cập đến một loại phương thức giao tiếp mới sử dụng hiệu ứng rối lượng tử để truyền thông tin. Nó là một phát triển liên ngành mới được phát triển trong hai thập kỷ qua và một lĩnh vực nghiên cứu mới kết hợp lý thuyết lượng tử và lý thuyết thông tin.

Truyền thông lượng tử quang học chủ yếu dựa trên lý thuyết về trạng thái vướng víu lượng tử, sử dụng dịch chuyển lượng tử (truyền) để đạt được chuyển giao thông tin. Theo thực nghiệm xác minh, bất kể hai hạt có trạng thái vướng víu cách xa nhau đến đâu, chỉ cần một hạt thay đổi, hạt kia cũng sẽ thay đổi ngay lập tức. Quá trình sử dụng tính năng này để thực hiện giao tiếp lượng tử quang học như sau: một cặp hạt có trạng thái vướng víu được xây dựng trước. Hai hạt được đặt ở hai phía của giao tiếp và các hạt có trạng thái lượng tử chưa biết và các hạt' của người gửi được đo cùng nhau (một phép toán), và các hạt' của người nhận sẽ ngay lập tức sụp đổ (thay đổi ), và sự sụp đổ (thay đổi) ở một trạng thái nhất định. Trạng thái này đối xứng với trạng thái của các hạt' của người gửi sau khi thu gọn (thay đổi), và sau đó thông tin đo lường chung được truyền đến người nhận qua kênh cổ điển và người nhận thực hiện phép biến đổi đơn nhất trên các hạt đã thu gọn theo thông tin nhận được (tương đương với Trong phép biến đổi nghịch đảo), bạn có thể nhận được cùng một trạng thái lượng tử chưa biết như người gửi.

So với giao tiếp lượng tử quang học, giao tiếp cổ điển không thể so sánh với tính bảo mật và hiệu quả của nó. Giao tiếp Bảo mật-Lượng tử sẽ không bao giờ" rò rỉ" ;. Chìa khóa của mã hóa lượng tử là ngẫu nhiên. Dù có bị kẻ gian đánh cắp khóa nhưng không lấy được đúng chìa khóa nên không thể bẻ khóa thông tin. Hai hạt có trạng thái vướng víu trong một bàn tay' trạng thái lượng tử của một trong các hạt thay đổi, trạng thái lượng tử của hạt bên kia sẽ thay đổi ngay lập tức, và theo lý thuyết lượng tử, bất kỳ quan sát vĩ mô và giao thoa nào sẽ ngay lập tức thay đổi trạng thái lượng tử, khiến nó bị Thu gọn, vì vậy thông tin thu được bởi những kẻ đánh cắp do can thiệp đã bị phá hủy, không phải là thông tin ban đầu. Hiệu quả, trạng thái lượng tử chưa biết được truyền đi sẽ ở trạng thái vướng víu trước khi được đo, tức là nó biểu diễn nhiều trạng thái cùng một lúc, ví dụ trạng thái lượng tử có thể biểu diễn đồng thời hai số 0 và 1, 7. các trạng thái lượng tử như vậy có thể biểu diễn đồng thời 128 Trạng thái hoặc 128 chữ số: 0 ~ 127. Việc truyền thông tin lượng tử quang học như vậy tương đương với 128 lần so với phương thức truyền thông cổ điển. Có thể tưởng tượng rằng nếu băng thông truyền dẫn là 64 bit hoặc cao hơn, thì sự khác biệt về hiệu suất sẽ là một công suất đáng kinh ngạc từ 2 đến N và cao hơn.

Đây là một lời giải thích sâu hơn về hiện tượng rối lượng tử. Sự vướng víu lượng tử có thể được hiểu với" Schrodinger' s cat" ;: khi bạn cho một con mèo vào một chiếc hộp có chứa chất độc, rồi đậy hộp lại, một lúc sau, hãy hỏi xem con mèo đó còn sống hay đã chết? Lượng tử Câu trả lời cho vật lý là: nó vừa chết vừa sống. Một số người sẽ nói rằng bạn không biết nếu bạn mở hộp và nhìn vào nó. Có, bạn sẽ biết con mèo chết hay sống khi bạn mở chiếc hộp, nhưng theo cách giải thích của vật lý lượng tử: trạng thái sống hay chết này là kết quả của sự quan sát của con người, tức là sự xáo trộn vĩ mô của con người làm cho mèo chết hay sống. , không phải là trạng thái thật khi hộp được đậy nắp. Tương tự như vậy, các hạt cực nhỏ đã nằm trong" dead" và" live" trạng thái trước khi được" xáo trộn" Có thể nói nó vừa là" 0" và" 1" ;.

Truyền thông lượng tử có đặc điểm là hiệu quả cao và bảo mật tuyệt đối, và nó là điểm nóng nghiên cứu của vật lý lượng tử quốc tế và khoa học thông tin tại thời điểm này. Để truy tìm nguồn gốc của giao tiếp lượng tử, chúng ta phải bắt đầu với bằng chứng về rối lượng tử của Einstein' s" ma" ;,.

Bởi vì mọi người đã hoài nghi về sự tương tác giữa các hạt vướng víu, các nhà vật lý đã cố gắng xác minh xem tính chất kỳ diệu này có đúng trong nhiều thập kỷ hay không.

Năm 1982, nhà vật lý người Pháp Alain Aspect và nhóm của ông đã hoàn thành thành công một thí nghiệm xác nhận sự tồn tại của hiện tượng" rối lượng tử" của các hạt cực nhỏ. Kết luận này Nó có tác động lớn đến thế giới quan chính thống của khoa học phương Tây. Kể từ Descartes, Galileo và Newton, tư duy chủ đạo của cộng đồng khoa học phương Tây tin rằng các thành phần của vũ trụ là độc lập với nhau, và sự tương tác giữa chúng bị giới hạn bởi không gian và thời gian (nghĩa là được bản địa hóa). Rối lượng tử xác nhận sự tồn tại của hành động ma quái Einstein' ở một khoảng cách xa. Nó chứng tỏ rằng giữa hai chất bất kỳ, dù cách xa bao nhiêu, chúng đều có thể ảnh hưởng lẫn nhau và không bị ảnh hưởng bởi không-thời gian bốn chiều. Ràng buộc là phi địa phương, và vũ trụ có những mối liên hệ nội tại sâu sắc với thế giới.

Trên cơ sở lý thuyết rối lượng tử, năm 1993, nhà khoa học người Mỹ CH Bennett đã đề xuất khái niệm liên lạc lượng tử (Quantum Teleportation). Truyền thông lượng tử là một phương pháp giao tiếp mang thông tin bằng các trạng thái lượng tử. Nó sử dụng nguyên lý rối lượng tử của các hạt cơ bản như photon để thực hiện một quá trình liên lạc an toàn. Sự ra đời của khái niệm giao tiếp lượng tử đã khiến Einstein' s"" -quantum vướng mắc lợi ích bắt đầu thực sự phát huy sức mạnh thực sự của nó.

Năm 1993, sau khi Bennett đề xuất khái niệm liên lạc lượng tử, sáu nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau, dựa trên lý thuyết về rối lượng tử, đã đề xuất sử dụng các phương pháp cổ điển và lượng tử để đạt được dịch chuyển lượng tử, tức là lượng tử chưa biết của một hạt trạng thái. được chuyển đến một nơi khác, và một hạt khác được chuẩn bị đến trạng thái lượng tử, và hạt ban đầu vẫn ở nguyên vị trí. Đây là sơ đồ cơ bản ban đầu của giao tiếp lượng tử. Dịch chuyển lượng tử không chỉ quan trọng trong lĩnh vực vật lý để con người hiểu và tiết lộ các quy luật bí ẩn của tự nhiên, mà còn có thể sử dụng trạng thái lượng tử làm vật mang thông tin để hoàn thành việc truyền tải thông tin dung lượng lớn thông qua việc truyền các trạng thái lượng tử để đạt được lượng tử. không thể giải mã về nguyên tắc. Giao tiếp bí mật.

Năm 1997, học giả trẻ người Trung Quốc Pan Jianwei học ở Áo đã hợp tác với học giả Hà Lan Bomiister và những người khác để lần đầu tiên nhận ra sự truyền từ xa của các trạng thái lượng tử chưa biết. Đây là lần đầu tiên trên thế giới, một trạng thái lượng tử được chuyển thành công từ một photon ở Trái đất A sang một photon ở Trái đất B. Trong thí nghiệm, chỉ có" trạng thái" của thông tin lượng tử được thể hiện, và bản thân photon với tư cách là vật mang thông tin không được truyền đi.

Sau hơn 20 năm phát triển, ngành truyền thông lượng tử đã dần chuyển từ lý thuyết sang thực nghiệm và phát triển thực tế. Các lĩnh vực chính liên quan bao gồm: giao tiếp mật mã lượng tử, dịch chuyển từ xa lượng tử và mã hóa mật độ lượng tử.

Hệ thống liên lạc lượng tử được chia thành hai loại tùy theo thông tin chúng truyền đi là cổ điển hay lượng tử. Cái trước chủ yếu được sử dụng để truyền các khóa lượng tử, trong khi cái sau có thể được sử dụng để phân phối dịch chuyển lượng tử và rối lượng tử. Cái gọi là truyền dẫn vô hình đề cập đến một loại"&hoàn chỉnh; truyền thông tin tách rời khỏi thực tế. Dưới góc độ vật lý học, quá trình truyền dẫn vô hình có thể được hình dung như sau: đầu tiên trích xuất tất cả thông tin của bản gốc, sau đó truyền thông tin đến nơi nhận, và người nhận chọn cùng một đơn vị cơ bản cấu thành bản gốc dựa trên thông tin và sản xuất Một bản sao hoàn hảo của bản gốc. Tuy nhiên, nguyên lý bất định của cơ học lượng tử không cho phép trích xuất chính xác tất cả thông tin của bản gốc, và bản sao này không thể hoàn hảo. Vì vậy, trong một thời gian dài, dịch chuyển tức thời chỉ là một điều viển vông.

Năm 1993, sáu nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau đã đề xuất một sơ đồ sử dụng các phương pháp cổ điển và lượng tử để đạt được dịch chuyển lượng tử: chuyển trạng thái lượng tử chưa được nhận biết của một hạt đến một nơi khác và chuẩn bị cho một hạt khác về trạng thái lượng tử, các hạt ban đầu vẫn ở nguyên vị trí . Ý tưởng cơ bản là chia thông tin gốc thành hai phần: thông tin cổ điển và thông tin lượng tử, chúng được truyền tới máy thu lần lượt qua kênh cổ điển và kênh lượng tử. Thông tin cổ điển thu được bằng cách người gửi thực hiện một phép đo nhất định về chất ban đầu, và thông tin lượng tử là phần còn lại của thông tin mà người gửi không trích xuất trong phép đo; sau khi máy thu thu được hai loại thông tin này, trạng thái lượng tử ban đầu có thể được chuẩn bị sao chép hoàn toàn. Trong quá trình này, chỉ có trạng thái lượng tử của chất ban đầu được truyền đi, không phải của chính chất ban đầu. Người gửi thậm chí có thể không biết gì về trạng thái lượng tử này, trong khi người nhận đặt các hạt khác ở trạng thái lượng tử ban đầu.

Trong kế hoạch này, tính không địa phương của các quốc gia bị vướng mắc đóng một vai trò quan trọng. Cơ học lượng tử là một lý thuyết phi cục bộ, đã được xác nhận bằng các kết quả thực nghiệm vi phạm bất đẳng thức Bell' s. Do đó, cơ học lượng tử thể hiện nhiều hiệu ứng phản trực giác. Trong cơ học lượng tử, hai trạng thái hạt có thể được điều chế theo cách mà mối quan hệ giữa chúng không thể được giải thích một cách cổ điển. Trạng thái như vậy được gọi là trạng thái vướng víu. Rối lượng tử đề cập đến sự tương tác giữa hai hoặc nhiều hệ thống lượng tử Liên kết phi cổ điển không cục bộ. Dịch chuyển lượng tử không chỉ cực kỳ quan trọng để con người hiểu và khám phá các quy luật tự nhiên bí ẩn trong lĩnh vực vật lý, mà còn có thể sử dụng trạng thái lượng tử như một vật mang thông tin để thực hiện việc truyền tải thông tin dung lượng lớn thông qua việc truyền trạng thái lượng tử, mà về nguyên tắc là không thể giải mã được. Giao tiếp bí mật lượng tử.

Năm 1997, Pan Jianwei, một học giả trẻ người Trung Quốc học ở Áo, và học giả Hà Lan Bomiister, v.v., lần đầu tiên hợp tác để nhận ra sự truyền đường dài của các trạng thái lượng tử chưa biết. Đây là lần đầu tiên trên thế giới, một trạng thái lượng tử đã được chuyển thành công từ một photon ở Trái đất A sang một photon ở Trái đất B. Những gì được truyền trong thí nghiệm chỉ để thể hiện trạng thái"" thông tin lượng tử, và bản thân photon với tư cách là vật mang thông tin đã không được truyền đi. Chẳng bao lâu, Pan Jianwei và các cộng sự của ông đã có những bước đột phá mới trong việc nghiên cứu cách làm sạch các trạng thái vướng víu lượng tử chất lượng cao. Để dịch chuyển các trạng thái lượng tử trong một khoảng cách dài, thường cần cho phép hai nơi ở xa chia sẻ trạng thái vướng víu lượng tử lớn nhất trước. Tuy nhiên, do nhiều tiếng ồn môi trường không thể tránh khỏi khác nhau, chất lượng của các trạng thái vướng víu lượng tử sẽ ngày càng trở nên tồi tệ hơn khi khoảng cách truyền tăng lên. Do đó, làm thế nào để thanh lọc các trạng thái vướng víu lượng tử chất lượng cao là một vấn đề quan trọng trong nghiên cứu giao tiếp lượng tử vào lúc này.

Nhiều nhóm nghiên cứu quốc tế đang nghiên cứu chủ đề này và đã đề xuất một loạt các giải pháp lý thuyết để thanh lọc các trạng thái vướng víu lượng tử, nhưng không giải pháp nào có thể đạt được với công nghệ hiện có. Sau đó, Pan Jianwei và những người khác đã phát hiện ra giải pháp lý thuyết về tinh chế trạng thái vướng víu lượng tử khả thi trên thực nghiệm bằng cách sử dụng công nghệ hiện có, và về nguyên tắc đã giải quyết được vấn đề cơ bản của giao tiếp lượng tử đường dài ngày nay. Thành tựu nghiên cứu này đã được cộng đồng khoa học quốc tế đánh giá cao và được gọi là" một bước nhảy vọt trong nghiên cứu giao tiếp lượng tử đường dài" ;.