Comunicación cuántica

proceso de desarrollo

En 1993, CHBennett propuso el concepto de comunicación cuántica; en el mismo año, 6 científicos de diferentes países propusieron un esquema para realizar la teletransportación cuántica combinando métodos clásicos y cuánticos: transferir el estado cuántico desconocido de una partícula a otra En un lugar, otra partícula se prepara al estado cuántico, mientras que la original la partícula permanece en su lugar. La idea básica es dividir la información original en dos partes: información clásica e información cuántica, que se transmiten al receptor a través del canal clásico y el canal cuántico respectivamente. La información clásica la obtiene el remitente realizando algún tipo de medición sobre la sustancia original, y la información cuántica es el resto de la información que el remitente no extrajo durante la medición; el receptor puede preparar el estado cuántico original después de obtener estos dos tipos de información. Totalmente reproducido. En este proceso, solo se transmite el estado cuántico de la sustancia original, no la sustancia original en sí. El emisor ni siquiera puede saber nada sobre este estado cuántico, mientras que el receptor pone otras partículas en el estado cuántico de la materia original. En este esquema, la no localidad de estados entrelazados juega un papel extremadamente importante. La teletransportación cuántica no solo es importante en el campo de la física para que las personas comprendan y revelen las misteriosas leyes de la naturaleza, sino que también puede utilizar el estado cuántico como portador de información para completar la transmisión de información de gran capacidad a través de la transmisión del estado cuántico, logrando en principio comunicación confidencial Quantum indescifrable.

En 1997, Pan Jianwei, un joven académico chino que estudiaba en Austria, colaboró ​​con el académico holandés Bomiister y otros para darse cuenta de la transmisión remota de estados cuánticos desconocidos por primera vez. Esta es la primera vez en el mundo que se ha transferido con éxito un estado cuántico de un fotón en la Tierra A a un fotón en la Tierra B. En el experimento, solo el" estado" de la información cuántica se expresa, y el propio fotón como portador de información no se transmite.

En 2012, el científico chino Pan Jianwei y otros lograron con éxito los primeros 100 kilómetros de distribución de entrelazamiento y teletransportación cuántica en el espacio libre en el mundo, sentando las bases técnicas para el lanzamiento del primer satélite de comunicación cuántica&del mundo. La revista académica internacional autorizada" Nature" revista se centró en este logro el 9 de agosto." La transmisión exitosa de 100 kilómetros en un terreno de alta pérdida significa que la distancia de transmisión en el espacio de baja pérdida puede alcanzar más de 1,000 kilómetros, básicamente resolviendo el problema de la transmisión de información a larga distancia de satélites de comunicación cuántica." Peng Chengzhi, miembro del equipo de investigación, dijo que Quantum El avance en la tecnología central de los satélites de comunicación también muestra que es técnicamente factible construir una red de comunicación cuántica global en el futuro. El 9 de agosto, la revista académica internacional autorizada" Nature" enfocado en este logro, representando su reconocimiento general en la comunidad académica internacional." Naturaleza" revista dijo que&"promete convertirse en un hito de la comunicación cuántica de larga distancia"&", GG" hacia una red cuántica global&", el sitio web de la Sociedad Física Europea, los Estados Unidos GG" Science News" revista y otros informes especiales.

Contenidos fundamentales

La llamada comunicación cuántica se refiere a un nuevo tipo de método de comunicación que utiliza el efecto de entrelazamiento cuántico para transmitir información. Es un nuevo desarrollo interdisciplinario desarrollado en las últimas dos décadas y un nuevo campo de investigación que combina la teoría cuántica y la teoría de la información.

La comunicación cuántica óptica se basa principalmente en la teoría de los estados cuánticos entrelazados, utilizando la teletransportación cuántica (transmisión) para lograr la transferencia de información. De acuerdo con la verificación experimental, no importa qué tan alejadas estén dos partículas con estados entrelazados, mientras una cambie, la otra también cambiará instantáneamente. El proceso de utilizar esta característica para realizar la comunicación cuántica óptica es el siguiente: se construyen de antemano un par de partículas con estados entrelazados. Las dos partículas se colocan en los dos lados de la comunicación, y las partículas con estado cuántico desconocido y las partículas del emisor&se miden conjuntamente (una operación), y las partículas del receptor&colapsan instantáneamente (cambiar ), y el colapso (cambio) está en cierto estado. Este estado es simétrico con el estado de las partículas del emisor&después del colapso (cambio), y luego la información de la medición conjunta se transmite al receptor a través del canal clásico, y el receptor realiza una transformación unitaria en las partículas colapsadas de acuerdo con la información recibida (equivalente a En la transformación inversa), puede obtener el mismo estado cuántico desconocido que el remitente.

En comparación con la comunicación cuántica óptica, la comunicación clásica no se puede comparar con su seguridad y eficiencia. La comunicación Security-Quantum nunca&"se filtrará GG". La clave del cifrado cuántico es aleatoria. Incluso si es interceptado por una persona robada, no se puede obtener la clave correcta, por lo que la información no se puede descifrar. Dos partículas con estados entrelazados en la mano de una GG, el estado cuántico de una de las partículas cambia, el estado cuántico del otro lado cambiará inmediatamente y, según la teoría cuántica, cualquier observación e interferencia macroscópica cambiará inmediatamente el estado cuántico, provocando su Colapso, por lo que se ha destruido la información obtenida por los ladrones debido a la interferencia, no la información original. Eficiente, el estado cuántico desconocido que se transmite estará en un estado entrelazado antes de ser medido, es decir, representa múltiples estados al mismo tiempo, por ejemplo, un estado cuántico puede representar dos números 0 y 1 al mismo tiempo, 7 tales estados cuánticos pueden representar 128 estados simultáneamente o 128 dígitos: 0 ~ 127. Tal transmisión de comunicación óptica cuántica equivale a 128 veces el método de comunicación clásico. Es concebible que si el ancho de banda de transmisión es de 64 bits o más, entonces la diferencia en eficiencia será una potencia asombrosa de 2 a N, y más.

Aquí hay una explicación más detallada del entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico se puede entender con&"Schrodinger' s cat GG": cuando pones un gato en una caja que contiene veneno, y luego tapa la caja, después de un tiempo, pregunta si el gato está vivo o muerto. Cuántica La respuesta a la física es: está viva y muerta. Algunas personas dirán que no sabes si abres la caja y la miras. Sí, sabrás si el gato está vivo o muerto cuando abras la caja, pero según la interpretación de la física cuántica: este estado vivo o muerto es el resultado de la observación humana, es decir, las macro perturbaciones humanas hacen que los gatos estén vivos o muertos. , no el verdadero estado cuando la caja está cubierta. Del mismo modo, las partículas microscópicas han estado en el&"GG muerto"; y&"live GG" afirma antes de ser" perturbado" Se puede decir que tanto" 0" y" 1" ;.

La comunicación cuántica tiene las características de alta eficiencia y seguridad absoluta, y en este momento es el centro de investigación de la física cuántica internacional y la ciencia de la información. Para rastrear el origen de la comunicación cuántica, tenemos que comenzar con la evidencia del entrelazamiento cuántico de&"GG fantasma" de Einstein GG.

Debido a que la gente se ha mostrado escéptica acerca de la interacción entre partículas entrelazadas, los físicos han estado tratando de verificar si esta propiedad mágica es cierta durante décadas.

En 1982, el físico francés Alain Aspect y su equipo completaron con éxito un experimento que confirmó la existencia del fenómeno de&"entrelazamiento cuántico GG" de partículas microscópicas. Esta conclusión tiene un gran impacto en la cosmovisión dominante de la ciencia occidental. Desde Descartes, Galileo y Newton, el pensamiento dominante de la comunidad científica occidental cree que los componentes del universo son independientes entre sí y que la interacción entre ellos está limitada por el espacio y el tiempo (es decir, localizada). El entrelazamiento cuántico confirma la existencia de la acción fantasma-espeluznante de Einstein&a distancia. Demuestra que entre dos sustancias cualesquiera, no importa qué tan lejos estén, pueden afectarse entre sí y no se ven afectadas por el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. La restricción no es local y el universo tiene profundas conexiones internas en el mundo.

Sobre la base de la teoría del entrelazamiento cuántico, en 1993, el científico estadounidense CH Bennett propuso el concepto de comunicación cuántica (teletransportación cuántica). La comunicación cuántica es un método de comunicación que transporta información mediante estados cuánticos. Utiliza el principio del entrelazamiento cuántico de partículas elementales como los fotones para implementar un proceso de comunicación seguro. La introducción del concepto de comunicación cuántica hizo que el beneficio de entrelazamiento cuántico&"espeluznante GG" de Einstein&comenzara a ejercer su verdadero poder.

En 1993, luego de que Bennett propusiera el concepto de comunicación cuántica, seis científicos de diferentes países, basados ​​en la teoría del entrelazamiento cuántico, propusieron el uso de métodos clásicos y cuánticos para lograr la teletransportación cuántica, es decir, el cuanto desconocido de una partícula El estado se transfiere a otro lugar, y otra partícula se prepara al estado cuántico, y la partícula original permanece en su lugar. Este es el esquema básico original de la comunicación cuántica. La teletransportación cuántica no solo es importante en el campo de la física para que las personas comprendan y revelen las misteriosas leyes de la naturaleza, sino que también puede usar estados cuánticos como portadores de información para completar la transmisión de información de gran capacidad a través de la transmisión de estados cuánticos para lograr cuánticos. indescifrable en principio. Comunicación confidencial.

En 1997, el joven erudito chino Pan Jianwei que estudió en Austria cooperó con el erudito holandés Bomiister y otros para darse cuenta de la transmisión remota de estados cuánticos desconocidos por primera vez. Esta es la primera vez en el mundo que se ha transferido con éxito un estado cuántico de un fotón en la Tierra A a un fotón en la Tierra B. En el experimento, solo el" estado" de la información cuántica se expresa, y el propio fotón como portador de información no se transmite.

Después de más de 20 años de desarrollo, la disciplina de la comunicación cuántica ha pasado gradualmente de la teoría al desarrollo experimental y práctico. Los principales campos involucrados incluyen: comunicación de criptografía cuántica, teletransportación remota cuántica y codificación cuántica densa.

Los sistemas de comunicación cuántica se dividen en dos categorías según que la información que transmiten sea clásica o cuántica. El primero se utiliza principalmente para la transmisión de claves cuánticas, mientras que el segundo se puede utilizar para la distribución de teletransportación cuántica y entrelazamiento cuántico. La llamada transmisión invisible se refiere a una especie de"&completo quot; transmisión de información que se separa de la realidad. Desde la perspectiva de la física, el proceso de transmisión invisible se puede imaginar de la siguiente manera: primero se extrae toda la información del original, y luego se transmite la información al lugar de recepción, y el receptor selecciona la misma unidad básica que constituye el original en base a la información, y fabrica una réplica perfecta del original. Sin embargo, el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica no permite una extracción precisa de toda la información del original, y esta réplica no puede ser perfecta. Entonces, durante mucho tiempo, la teletransportación no fue más que una fantasía.

En 1993, seis científicos de diferentes países propusieron un esquema que utiliza métodos clásicos y cuánticos para lograr la teletransportación cuántica: transferir el estado cuántico no reconocido de una partícula a otro lugar y preparar otra partícula para En el estado cuántico, las partículas originales permanecen en su lugar. . La idea básica es dividir la información original en dos partes: información clásica e información cuántica, que se transmiten al receptor a través del canal clásico y el canal cuántico respectivamente. La información clásica la obtiene el remitente tomando una determinada medida de la sustancia original, y la información cuántica es el resto de la información que el remitente no extrajo en la medición; una vez que el receptor ha obtenido estos dos tipos de información, el estado cuántico original puede prepararse como una réplica completa. En este proceso, solo se transmite el estado cuántico de la sustancia original, no la sustancia original en sí. El emisor ni siquiera puede saber nada sobre este estado cuántico, mientras que el receptor pone otras partículas en el estado cuántico original.

En este esquema, la no localidad de los estados entrelazados juega un papel crucial. La mecánica cuántica es una teoría no local, que ha sido confirmada por resultados experimentales que violan la desigualdad de Bell GG. Por lo tanto, la mecánica cuántica exhibe muchos efectos contraintuitivos. En mecánica cuántica, se pueden preparar dos estados de partículas de tal manera que la relación entre ellos no se pueda explicar de manera clásica. Tal estado se llama estado entrelazado. El entrelazamiento cuántico se refiere a la interacción entre dos o más sistemas cuánticos. Asociación no local no clásica. La teletransportación cuántica no solo es extremadamente importante para que las personas comprendan y revelen las misteriosas leyes de la naturaleza en el campo de la física, sino que también puede utilizar el estado cuántico como portador de información para realizar la transmisión de información de gran capacidad a través de la transmisión del estado cuántico. que es indescifrable en principio. Comunicación confidencial cuántica.

En 1997, Pan Jianwei, un joven académico chino que estudiaba en Austria, y el académico holandés Bomiister, etc., cooperaron por primera vez para realizar la transmisión a larga distancia de estados cuánticos desconocidos. Esta es la primera vez en el mundo que se ha transferido con éxito un estado cuántico de un fotón en la Tierra A a un fotón en la Tierra B. Lo que se transmitió en el experimento fue solo para expresar el&"estado GG"; de información cuántica, y el propio fotón como portador de información no se transmitió. Pronto, Pan Jianwei y sus colaboradores han logrado nuevos avances en el estudio de cómo purificar estados cuánticos entrelazados de alta calidad. Para la teletransportación de estados cuánticos a largas distancias, a menudo es necesario permitir que dos lugares distantes compartan el estado entrelazado cuántico más grande de antemano. Sin embargo, debido a varios ruidos ambientales inevitables, la calidad de los estados entrelazados cuánticos empeorará cada vez más a medida que aumenta la distancia de transmisión. Por lo tanto, cómo purificar los estados entrelazados cuánticos de alta calidad es un tema importante en la investigación de la comunicación cuántica en este momento.

Muchos grupos de investigación internacionales están trabajando en este tema, y ​​han propuesto una serie de soluciones teóricas para la purificación de estados cuánticos entrelazados, pero ninguna de ellas se puede lograr con la tecnología existente. Más tarde, Pan Jianwei y otros descubrieron la solución teórica de la purificación del estado entrelazado cuántico que es experimentalmente factible utilizando la tecnología existente y, en principio, resolvieron el problema fundamental de la comunicación cuántica a larga distancia en la actualidad. Este logro de investigación ha sido altamente evaluado por la comunidad científica internacional y se denomina&"un salto en la investigación de comunicación cuántica a larga distancia GG".