Comunicação Quântica

processo de desenvolvimento

Em 1993, a CHBennett apresentou o conceito de comunicação quântica; no mesmo ano, 6 cientistas de diferentes países propuseram um esquema para realizar o teletransporte quântico combinando métodos clássicos e quânticos: transferir o estado quântico desconhecido de uma partícula para outro Em um só lugar, outra partícula está preparada para o estado quântico, enquanto a partícula original permanece no lugar. A ideia básica é dividir as informações originais em duas partes: informação clássica e informação quântica, que são transmitidas ao receptor através do canal clássico e do canal quântico, respectivamente. As informações clássicas são obtidas pelo remetente realizando algum tipo de medição sobre a substância original, e a informação quântica é o resto das informações que o remetente não extrai durante a medição; o receptor pode preparar o estado quântico original depois de obter esses dois tipos de informações totalmente reproduzidas. Nesse processo, apenas o estado quântico da substância original é transmitido, não a substância original em si. O remetente não pode nem saber nada sobre este estado quântico, enquanto o receptor coloca outras partículas no estado quântico da matéria original. Nesse regime, a não localidade dos estados emaranhados desempenha um papel extremamente importante. O teletransporte quântico não é apenas importante no campo da física para que as pessoas entendam e revelem as misteriosas leis da natureza, mas também possam usar o estado quântico como porta-informações para completar a transmissão de informações de grande capacidade através da transmissão do estado quântico, alcançando, em princípio, uma comunicação confidencial quântica indecifrável.

Em 1997, Pan Jianwei, um jovem estudioso chinês que estuda na Áustria, colaborou com o estudioso holandês Bomiister e outros para realizar a transmissão remota de estados quânticos desconhecidos pela primeira vez. Esta é a primeira vez no mundo que um estado quântico foi transferido com sucesso de um fóton na Terra A para um fóton na Terra B. No experimento, apenas o "estado" da informação quântica é expresso, e o fóton em si como porta-informações não é transmitido.

Em 2012, o cientista chinês Pan Jianwei e outros alcançaram com sucesso os primeiros 100 quilômetros de distribuição de teletransporte e emaranhamento quântico espacial livre no mundo, lançando as bases técnicas para o lançamento do primeiro "satélite de comunicação quântica" do mundo. A revista acadêmica internacional "Nature" se concentrou nessa conquista em 9 de agosto. "A transmissão bem-sucedida de 100 quilômetros em um terreno de alta perda significa que a distância de transmissão em espaço de baixa perda pode chegar a mais de 1.000 quilômetros, basicamente resolvendo o problema da transmissão de informações de longa distância de satélites de comunicação quântica." O membro da equipe de pesquisa Peng Chengzhi disse que a Quantum O avanço na tecnologia central dos satélites de comunicação também mostra que é tecnicamente viável construir uma rede global de comunicação quântica no futuro. Em 9 de agosto, a revista acadêmica internacional "Nature" focou-se nessa conquista, representando seu reconhecimento geral na comunidade acadêmica internacional. A revista "Nature" disse que está "prometendo se tornar um marco da comunicação quântica de longa distância", "para uma rede quântica global", o site da Sociedade Física Europeia, a revista "Science News" dos Estados Unidos e outras reportagens especiais.

Conteúdos fundamentais

A chamada comunicação quântica refere-se a um novo tipo de método de comunicação que usa o efeito de entrelaçamento quântico para transmitir informações. Trata-se de um novo desenvolvimento interdisciplinar desenvolvido nas últimas duas décadas e um novo campo de pesquisa que combina teoria quântica e teoria da informação.

A comunicação quântica óptica baseia-se principalmente na teoria dos estados emaranhados quânticos, usando o teletransporte quântico (transmissão) para alcançar a transferência de informações. De acordo com a verificação experimental, não importa o quão distantes duas partículas com estados emaranhados estejam, desde que uma mude, a outra também mudará instantaneamente. O processo de utilização desse recurso para realizar a comunicação quântica óptica é o seguinte: um par de partículas com estados emaranhados são construídas com antecedência. As duas partículas são colocadas nos dois lados da comunicação, e as partículas com estado quântico desconhecido e partículas do remetente são medidas conjuntamente (uma operação), e as partículas do receptor entram em colapso instantâneo (mudança), e o colapso (mudança) está em um certo estado. Este estado é simétrico com o estado das partículas do remetente após o colapso (alteração), e então as informações de medição conjunta são transmitidas ao receptor através do canal clássico, e o receptor realiza transformação unitária nas partículas colapsadas de acordo com as informações recebidas (equivalentes à transformação inversa), você pode obter o mesmo estado quântico desconhecido que o remetente.

Em comparação com a comunicação quântica óptica, a comunicação clássica não pode ser comparada com sua segurança e eficiência. A comunicação segurança-quantum nunca "vazará". A chave para a criptografia quântica é aleatória. Mesmo que seja interceptado por uma pessoa roubada, a chave correta não pode ser obtida, de modo que as informações não podem ser quebradas. Duas partículas com estados emaranhados na mão, o estado quântico de uma das partículas muda, o estado quântico do outro lado mudará imediatamente, e de acordo com a teoria quântica, qualquer observação e interferência macroscópica mudará imediatamente o estado quântico, causando-o colapso, de modo que as informações obtidas pelos ladrões devido à interferência foram destruídas, não as informações originais. Eficiente, o estado quântico desconhecido que é transmitido estará em um estado emaranhado antes de ser medido, ou seja, representa vários estados ao mesmo tempo, por exemplo, um estado quântico pode representar dois números 0 e 1 ao mesmo tempo, 7 desses estados quânticos podem representar 128 simultaneamente Status ou 128 dígitos: 0~127. Tal transmissão de comunicação quântica óptica equivale a 128 vezes do método de comunicação clássico. É concebível que se a largura de banda de transmissão for de 64 bits ou mais, então a diferença de eficiência será um poder surpreendente de 2 para N, e maior.

Aqui está uma explicação adicional do emaranhamento quântico. O emaranhamento quântico pode ser entendido com "gato de Schrodinger": quando você coloca um gato em uma caixa contendo veneno, e então cobre a caixa, depois de um tempo, pergunta se o gato está vivo ou morto? Quantum A resposta para a física é: ela está viva e morta. Algumas pessoas dirão que você não sabe se abre a caixa e olha para ela. Sim, você saberá se o gato está vivo ou morto quando você abre a caixa, mas de acordo com a interpretação da física quântica: este estado morto ou vivo é o resultado da observação humana, ou seja, distúrbios macro humanos fazem gatos vivos ou mortos, não o verdadeiro estado quando a caixa é coberta. Da mesma forma, partículas microscópicas estiveram nos estados "mortos" e "vivos" antes de serem "perturbadas" Pode-se dizer que é tanto "0" quanto "1".

A comunicação quântica tem as características de alta eficiência e segurança absoluta, e é o ponto de pesquisa da física quântica internacional e da ciência da informação neste momento. Para traçar a origem da comunicação quântica, temos que começar com a evidência do "fantasma" de Einstein, o emaranhado quântico.

Como as pessoas têm sido céticas sobre a interação entre partículas emaranhadas, os físicos têm tentado verificar se essa propriedade mágica é verdadeira há décadas.

Em 1982, o físico francês Alain Aspect e sua equipe concluíram com sucesso um experimento que confirmou a existência do fenômeno do "emaranhado quântico" de partículas microscópicas. Esta conclusão tem um grande impacto na visão de mundo dominante da ciência ocidental. Desde Descartes, Galileu e Newton, o pensamento mainstream da comunidade científica ocidental acredita que os componentes do universo são independentes uns dos outros, e a interação entre eles é limitada pelo espaço e pelo tempo (ou seja, localizados). O emaranhado quântico confirma a existência da ação fantasma-assustadora de Einstein à distância. Isso prova que entre as duas substâncias, não importa o quão longe, elas possam afetar umas às outras e não são afetadas pelo espaço-tempo quadridimensional. A restrição não é local, e o universo tem profundas conexões internas no mundo.

Com base na teoria do emaranhamento quântico, em 1993, o cientista americano C.H. Bennett propôs o conceito de comunicação quântica (Quantum Teleportation). A comunicação quântica é um método de comunicação que carrega informações de estados quânticos. Ele usa o princípio do emaranhamento quântico de partículas elementares, como fótons, para implementar um processo de comunicação seguro. A introdução do conceito de comunicação quântica fez com que o benefício "assustador" de Einstein começasse a exercer seu verdadeiro poder.

Em 1993, depois que Bennett propôs o conceito de comunicação quântica, seis cientistas de diferentes países, baseados na teoria do emaranhamento quântico, propuseram o uso de métodos clássicos e quânticos para alcançar o teletransporte quântico, ou seja, o quântico desconhecido de uma partícula O Estado é transferido para outro lugar, e outra partícula está preparada para o estado quântico, e a partícula original permanece no lugar. Este é o esquema básico original da comunicação quântica. O teletransporte quântico não é apenas importante no campo da física para que as pessoas entendam e revelem as misteriosas leis da natureza, mas também possam usar estados quânticos como porta-informações para completar a transmissão de informações de grande capacidade através da transmissão de estados quânticos para alcançar o quantum indecifrável em princípio. Comunicação confidencial.

Em 1997, o jovem estudioso chinês Pan Jianwei, que estudou na Áustria, cooperou com o estudioso holandês Bomiister e outros para realizar a transmissão remota de estados quânticos desconhecidos pela primeira vez. Esta é a primeira vez no mundo que um estado quântico foi transferido com sucesso de um fóton na Terra A para um fóton na Terra B. No experimento, apenas o "estado" da informação quântica é expresso, e o fóton em si como o portador da informação não é transmitido.

Após mais de 20 anos de desenvolvimento, a disciplina da comunicação quântica passou gradualmente da teoria para o experimento e o desenvolvimento prático. Os principais campos envolvidos incluem: comunicação de criptografia quântica, teletransporte remoto quântico e codificação quântica densa.

Os sistemas de comunicação quântica são divididos em duas categorias de acordo com se as informações que transmitem são clássicas ou quânticas. O primeiro é usado principalmente para a transmissão de chaves quânticas, enquanto o segundo pode ser usado para a distribuição de teletransporte quântico e entrelaçamento quântico. A chamada transmissão invisível refere-se a uma espécie de transmissão de informações "completa" que é separada da coisa real. Do ponto de vista da física, o processo de transmissão invisível pode ser imaginado da seguinte forma: primeiro extrair todas as informações do original e, em seguida, transmitir as informações para o local receptor, e o receptor seleciona a mesma unidade básica que constitui a original com base nas informações, e fabrica uma réplica perfeita do original. No entanto, o princípio da incerteza da mecânica quântica não permite a extração precisa de todas as informações do original, e esta réplica não pode ser perfeita. Então, por muito tempo, o teletransporte não foi nada além de uma fantasia.

Em 1993, seis cientistas de diferentes países propuseram um esquema que usa métodos clássicos e quânticos para alcançar o teletransporte quântico: transferir o estado quântico não reconhecido de uma partícula para outro lugar e preparar outra partícula para o estado quântico, as partículas originais permanecem no lugar. A ideia básica é dividir as informações originais em duas partes: informação clássica e informação quântica, que são transmitidas ao receptor através do canal clássico e do canal quântico, respectivamente. Informações clássicas são obtidas pelo remetente tomando uma certa medição da substância original, e a informação quântica é o resto das informações que o remetente não extrai na medição; depois que o receptor obteve esses dois tipos de informações, o estado quântico original pode ser preparado completamente replicado. Nesse processo, apenas o estado quântico da substância original é transmitido, não a substância original em si. O remetente não pode nem saber nada sobre este estado quântico, enquanto o receptor coloca outras partículas no estado quântico original.

Nesse regime, a não localidade dos estados emaranhados desempenha um papel crucial. A mecânica quântica é uma teoria não local, que foi confirmada por resultados experimentais que violam a desigualdade de Bell. Portanto, a mecânica quântica exibe muitos efeitos contra-intuitivos. Na mecânica quântica, dois estados de partículas podem ser preparados de tal forma que a relação entre eles não pode ser explicada clássicamente. Tal estado é chamado de estado emaranhado. O entrelaçamento quântico refere-se à interação entre dois ou mais sistemas quânticos não-locais não-clássicos. O teletransporte quântico não só é extremamente importante para que as pessoas entendam e revelem as misteriosas leis da natureza no campo da física, mas também possam usar o estado quântico como porta-informações para realizar a transmissão de informações de grande capacidade através da transmissão do estado quântico, que é indecifrável em princípio. Comunicação confidencial quântica.

Em 1997, Pan Jianwei, um jovem estudioso chinês que estuda na Áustria, e o estudioso holandês Bomiister, etc., cooperaram pela primeira vez para realizar a transmissão de longa distância de estados quânticos desconhecidos. Esta é a primeira vez no mundo que um estado quântico foi transferido com sucesso de um fóton na Terra A para um fóton na Terra B. O que foi transmitido no experimento foi apenas para expressar o "estado" da informação quântica, e o fóton em si como um portador de informação não foi transmitido. Em breve, Pan Jianwei e seus colaboradores fizeram novos avanços no estudo de como purificar estados quânticos de alta qualidade emaranhados. Para o teletransporte de estados quânticos a longas distâncias, muitas vezes é necessário permitir que dois lugares distantes compartilhem o maior estado quântico emaranhado com antecedência. No entanto, devido a vários ruídos ambientais inevitáveis, a qualidade dos estados emaranhados quânticos se tornará cada vez pior à medida que a distância de transmissão aumenta. Portanto, como purificar estados quânticos de alta qualidade é uma questão importante na pesquisa de comunicação quântica neste momento.

Muitos grupos internacionais de pesquisa estão trabalhando neste assunto, e propuseram uma série de soluções teóricas para a purificação de estados emaranhados quânticos, mas nenhum deles pode ser alcançado com a tecnologia existente. Mais tarde, Pan Jianwei e outros descobriram a solução teórica da purificação de estado emaranhada quântica que é experimentalmente viável usando a tecnologia existente, e em princípio resolveu o problema fundamental da comunicação quântica de longa distância hoje em dia. Esta pesquisa foi altamente avaliada pela comunidade científica internacional e é chamada de "um salto na pesquisa de comunicação quântica de longa distância".