Quantum communicatie

ontwikkelingsproces

In 1993 kwam CHBennett met het concept van kwantumcommunicatie; in hetzelfde jaar stelden 6 wetenschappers uit verschillende landen een schema voor om kwantumteleportatie te realiseren door klassieke en kwantummethoden te combineren: de onbekende kwantumtoestand van een deeltje overbrengen naar een andere Op de ene plaats wordt een ander deeltje voorbereid op de kwantumtoestand, terwijl het origineel deeltje blijft op zijn plaats. Het basisidee is om de oorspronkelijke informatie in twee delen te verdelen: klassieke informatie en kwantuminformatie, die respectievelijk via het klassieke kanaal en het kwantumkanaal naar de ontvanger worden gestuurd. Klassieke informatie wordt verkregen door de afzender die een soort meting uitvoert op de oorspronkelijke stof, en kwantuminformatie is de rest van de informatie die de afzender niet heeft geëxtraheerd tijdens de meting; de ontvanger kan de oorspronkelijke kwantumtoestand voorbereiden na het verkrijgen van deze twee soorten informatie Volledig gereproduceerd. In dit proces wordt alleen de kwantumtoestand van de oorspronkelijke stof overgedragen, niet de oorspronkelijke stof zelf. De zender kan zelfs niets weten over deze kwantumtoestand, terwijl de ontvanger andere deeltjes in de kwantumtoestand van de oorspronkelijke materie plaatst. In dit schema speelt de niet-lokaliteit van verstrengelde staten een uiterst belangrijke rol. Kwantumteleportatie is niet alleen belangrijk op het gebied van de fysica voor mensen om de mysterieuze natuurwetten te begrijpen en te onthullen, maar kan ook de kwantumtoestand gebruiken als een informatiedrager om de overdracht van informatie met een grote capaciteit te voltooien door de overdracht van de kwantumtoestand, waardoor in principe onontcijferbare Quantum vertrouwelijke communicatie.

In 1997 werkte Pan Jianwei, een jonge Chinese geleerde die in Oostenrijk studeerde, samen met de Nederlandse geleerde Bomiister en anderen om voor het eerst de overdracht op afstand van onbekende kwantumtoestanden te realiseren. Dit is de eerste keer ter wereld dat een kwantumtoestand met succes is overgebracht van een foton op aarde A naar een foton op aarde B. In het experiment werd alleen de" toestand" van de kwantuminformatie wordt uitgedrukt, en het foton zelf als informatiedrager wordt niet uitgezonden.

In 2012 bereikten de Chinese wetenschapper Pan Jianwei en anderen met succes de eerste 100 kilometer aan vrije ruimte kwantumteleportatie en verstrengelingdistributie in de wereld, waarmee de technische basis werd gelegd voor de lancering van 's werelds eerste" kwantumcommunicatiesatelliet" ;. Het internationaal gezaghebbende academische tijdschrift" Nature" magazine concentreerde zich op deze prestatie op 9 augustus." Succesvolle verzending van 100 kilometer op een verlieslatend terrein betekent dat de transmissieafstand in een verliesarme ruimte meer dan 1.000 kilometer kan bedragen, waarmee in feite het probleem van langeafstandsinformatieoverdracht wordt opgelost van kwantumcommunicatiesatellieten." Onderzoeksteamlid Peng Chengzhi zei dat Quantum De doorbraak in de kerntechnologie van communicatiesatellieten ook aantoont dat het technisch haalbaar is om in de toekomst een wereldwijd kwantumcommunicatienetwerk te bouwen. Op 9 augustus publiceerde het internationaal gezaghebbende academische tijdschrift" Nature" gericht op deze prestatie, waarmee het de algemene erkenning in de internationale academische gemeenschap vertegenwoordigt." Natuur" magazine zei dat het&is; veelbelovend om een ​​mijlpaal te worden in de kwantumcommunicatie over lange afstand" ;," naar een wereldwijd kwantumnetwerk" ;, de website van de European Physical Society, de Verenigde Staten" Science News" tijdschrift en andere speciale verslagen.

Fundamentele inhoud

De zogenaamde kwantumcommunicatie verwijst naar een nieuw type communicatiemethode die het kwantumverstrengelingseffect gebruikt om informatie te verzenden. Het is een nieuwe interdisciplinaire ontwikkeling die in de afgelopen twee decennia is ontwikkeld en een nieuw onderzoeksveld dat kwantumtheorie en informatietheorie combineert.

Optische kwantumcommunicatie is voornamelijk gebaseerd op de theorie van kwantumverstrengelde toestanden, waarbij kwantumteleportatie (transmissie) wordt gebruikt om informatieoverdracht te bereiken. Volgens experimentele verificatie, maakt het niet uit hoe ver twee deeltjes met verstrengelde toestanden van elkaar verwijderd zijn, zolang de ene verandert, zal de andere ook ogenblikkelijk veranderen. Het proces van het gebruik van deze functie om optische kwantumcommunicatie te realiseren is als volgt: een paar deeltjes met verstrengelde toestanden wordt van tevoren geconstrueerd. De twee deeltjes worden aan de twee kanten van de communicatie geplaatst en de deeltjes met onbekende kwantumtoestand en de deeltjes van de zender' worden gezamenlijk gemeten (een operatie), en de deeltjes van de ontvanger' storten onmiddellijk in (verandering ), en de ineenstorting (verandering) is in een bepaalde staat. Deze toestand is symmetrisch met de toestand van de deeltjes van de zender' na het instorten (verandering), en vervolgens wordt de gezamenlijke meetinformatie naar de ontvanger verzonden via het klassieke kanaal, en de ontvanger voert een eenheidstransformatie uit op de samengevouwen deeltjes volgens de ontvangen informatie (equivalent aan In de inverse transformatie), kunt u dezelfde onbekende kwantumtoestand krijgen als de afzender.

Vergeleken met optische kwantumcommunicatie is klassieke communicatie niet te vergelijken met veiligheid en efficiëntie. Beveiliging-Quantum communicatie zal nooit" lekken" ;. De sleutel tot kwantumversleuteling is willekeurig. Zelfs als het wordt onderschept door een gestolen persoon, kan de juiste sleutel niet worden verkregen, dus de informatie kan niet worden gekraakt. Twee deeltjes met verstrengelde toestanden in één' s hand, de kwantumtoestand van een van de deeltjes verandert, de kwantumtoestand van de andere kant zal onmiddellijk veranderen, en volgens de kwantumtheorie zal elke macroscopische waarneming en interferentie onmiddellijk de kwantumtoestand, waardoor het instortte, dus de informatie die de stealers als gevolg van de interferentie hebben verkregen, is vernietigd, niet de originele informatie. Efficiënt, de onbekende kwantumtoestand die wordt verzonden, bevindt zich in een verstrengelde toestand voordat deze wordt gemeten, dat wil zeggen dat deze meerdere toestanden tegelijkertijd vertegenwoordigt, een kwantumtoestand kan bijvoorbeeld twee getallen 0 en 1 tegelijkertijd vertegenwoordigen, 7 dergelijke kwantumtoestanden kunnen 128 tegelijkertijd status of 128 cijfers vertegenwoordigen: 0 ~ 127. Een dergelijke overdracht van optische kwantumcommunicatie is gelijk aan 128 keer de klassieke communicatiemethode. Het is denkbaar dat als de transmissiebandbreedte 64 bits of hoger is, het verschil in efficiëntie een verbluffend vermogen zal zijn van 2 tot N en hoger.

Hier is een verdere uitleg van kwantumverstrengeling. Kwantumverstrengeling kan worden begrepen met" Schrodinger' s cat" ;: wanneer je een kat in een doos met gif stopt en de doos vervolgens afdekt, vraag je na een tijdje of de kat dood of levend is? Quantum Het antwoord op de natuurkunde is: het is zowel dood als levend. Sommige mensen zullen zeggen dat je niet weet of je de doos opent en ernaar kijkt. Ja, je zult weten of de kat dood of levend is wanneer je de doos opent, maar volgens de interpretatie van de kwantumfysica: deze dode of levende toestand is het resultaat van menselijke observatie, dat wil zeggen: menselijke macrostoringen maken katten dood of levend , niet de ware toestand wanneer de doos bedekt is. Evenzo zijn microscopisch kleine deeltjes in het" dode" en" live" stelt voordat het" gestoorde" Men kan zeggen dat het zowel" 0" en" 1" ;.

Kwantumcommunicatie heeft de kenmerken van hoge efficiëntie en absolute veiligheid en is op dit moment de onderzoeks-hotspot van de internationale kwantumfysica en informatica. Om de oorsprong van kwantumcommunicatie te achterhalen, moeten we beginnen met het bewijs van Einstein' s" geest" ;, kwantumverstrengeling.

Omdat mensen sceptisch waren over de interactie tussen verstrengelde deeltjes, hebben natuurkundigen al decennia lang geprobeerd te verifiëren of deze magische eigenschap waar is.

In 1982 voltooiden de Franse natuurkundige Alain Aspect en zijn team met succes een experiment dat het bestaan ​​van het fenomeen van" kwantumverstrengeling" bevestigde. van microscopisch kleine deeltjes. Deze conclusie Het heeft een grote impact op het mainstream wereldbeeld van de westerse wetenschap. Sinds Descartes, Galileo en Newton gelooft het gangbare denken van de westerse wetenschappelijke gemeenschap dat de componenten van het universum onafhankelijk van elkaar zijn en dat de interactie tussen hen beperkt is door ruimte en tijd (dat wil zeggen, gelokaliseerd). Kwantumverstrengeling bevestigt het bestaan ​​van de spookachtige spookactie van Einstein&# 39 op een afstand. Het bewijst dat tussen twee substanties, hoe ver weg ook, ze elkaar kunnen beïnvloeden en niet worden beïnvloed door vierdimensionale ruimte-tijd. Beperking is niet-lokaal en het universum heeft diepe interne verbindingen in de wereld.

Op basis van de kwantumverstrengelingstheorie stelde de Amerikaanse wetenschapper CH Bennett in 1993 het concept van kwantumcommunicatie voor (Quantum Teleportation). Quantumcommunicatie is een communicatiemethode die informatie door middel van kwantumtoestanden vervoert. Het gebruikt het principe van kwantumverstrengeling van elementaire deeltjes zoals fotonen om een ​​veilig communicatieproces te implementeren. De introductie van het concept van kwantumcommunicatie zorgde ervoor dat Einstein' s" spookachtige" -quantumverstrengeling voordeel echt zijn ware kracht begon uit te oefenen.

In 1993, nadat Bennett het concept van kwantumcommunicatie had voorgesteld, stelden zes wetenschappers uit verschillende landen, gebaseerd op de theorie van kwantumverstrengeling, het gebruik van klassieke en kwantummethoden voor om kwantumteleportatie te bereiken, dat wil zeggen het onbekende kwantum van een deeltje. wordt overgebracht naar een andere plaats, en een ander deeltje wordt geprepareerd naar de kwantumtoestand, en het oorspronkelijke deeltje blijft op zijn plaats. Dit is het oorspronkelijke basisschema van kwantumcommunicatie. Kwantumteleportatie is niet alleen belangrijk op het gebied van de fysica voor mensen om de mysterieuze natuurwetten te begrijpen en te onthullen, maar kan ook kwantumtoestanden gebruiken als informatiedragers om de overdracht van informatie met een grote capaciteit te voltooien door de overdracht van kwantumtoestanden om kwantumtoestanden te bereiken. in principe niet te ontcijferen. Vertrouwelijke communicatie.

In 1997 werkte de Chinese jonge geleerde Pan Jianwei die in Oostenrijk studeerde samen met de Nederlandse geleerde Bomiister en anderen om voor het eerst de overdracht op afstand van onbekende kwantumtoestanden te realiseren. Dit is de eerste keer ter wereld dat een kwantumtoestand met succes is overgebracht van een foton op aarde A naar een foton op aarde B. In het experiment werd alleen de" toestand" van de kwantuminformatie wordt uitgedrukt, en het foton zelf als informatiedrager wordt niet uitgezonden.

Na meer dan 20 jaar van ontwikkeling is de discipline van kwantumcommunicatie geleidelijk verschoven van theorie naar experiment en praktische ontwikkeling. De belangrijkste betrokken velden zijn onder meer: ​​kwantumcryptografische communicatie, kwantumteleportatie op afstand en kwantumdichtheidscodering.

Kwantumcommunicatiesystemen zijn onderverdeeld in twee categorieën naargelang de informatie die ze verzenden klassiek of kwantum is. De eerste wordt voornamelijk gebruikt voor de overdracht van kwantumsleutels, terwijl de laatste kan worden gebruikt voor de distributie van kwantumteleportatie en kwantumverstrengeling. De zogenaamde onzichtbare transmissie verwijst naar een soort" complete" informatieoverdracht die gescheiden is van het echte werk. Vanuit het perspectief van de natuurkunde kan het proces van onzichtbare verzending als volgt worden voorgesteld: extraheer eerst alle informatie van het origineel en verzend vervolgens de informatie naar de ontvangende plaats, en de ontvanger selecteert dezelfde basiseenheid die het origineel vormt op basis van de informatie, en produceert een perfecte replica van het origineel. Het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica staat echter geen nauwkeurige extractie van alle informatie van het origineel toe, en deze replica kan niet perfect zijn. Dus teleportatie was lange tijd niets anders dan een fantasie.

In 1993 stelden zes wetenschappers uit verschillende landen een schema voor dat klassieke en kwantummethoden gebruikt om kwantumteleportatie te bereiken: om de niet-herkende kwantumtoestand van een deeltje over te brengen naar een andere plaats en een ander deeltje voor te bereiden op de kwantumtoestand, de oorspronkelijke deeltjes blijven op hun plaats. . Het basisidee is om de oorspronkelijke informatie in twee delen te verdelen: klassieke informatie en kwantuminformatie, die respectievelijk via het klassieke kanaal en het kwantumkanaal naar de ontvanger worden gestuurd. Klassieke informatie wordt verkregen doordat de afzender een bepaalde meting van de oorspronkelijke substantie uitvoert, en kwantuminformatie is de rest van de informatie die de afzender niet in de meting heeft geëxtraheerd; nadat de ontvanger deze twee soorten informatie heeft verkregen, kan de oorspronkelijke kwantumtoestand volledig replica worden voorbereid. In dit proces wordt alleen de kwantumtoestand van de oorspronkelijke stof overgedragen, niet de oorspronkelijke stof zelf. De zender kan zelfs niets weten over deze kwantumtoestand, terwijl de ontvanger andere deeltjes in de oorspronkelijke kwantumtoestand plaatst.

In dit schema speelt de niet-lokaliteit van verstrengelde staten een cruciale rol. Kwantummechanica is een niet-lokale theorie, die is bevestigd door experimentele resultaten die de ongelijkheid van Bell' schenden. Daarom vertoont de kwantummechanica veel contra-intuïtieve effecten. In de kwantummechanica kunnen twee deeltjestoestanden zo worden voorbereid dat de relatie daartussen niet klassiek kan worden verklaard. Zo'n toestand wordt een verstrengelde staat genoemd. Kwantumverstrengeling verwijst naar de interactie tussen twee of meer kwantumsystemen. Niet-lokale niet-klassieke associatie. Kwantumteleportatie is niet alleen buitengewoon belangrijk voor mensen om de mysterieuze natuurwetten op het gebied van de fysica te begrijpen en te onthullen, maar kan ook de kwantumtoestand gebruiken als een informatiedrager om de overdracht van informatie met een grote capaciteit te realiseren door de overdracht van de kwantumtoestand, die in principe niet te ontcijferen is. Quantum vertrouwelijke communicatie.

In 1997 werkten Pan Jianwei, een jonge Chinese geleerde die in Oostenrijk studeerde, en de Nederlandse geleerde Bomiister, enz., Voor het eerst samen om de langeafstandstransmissie van onbekende kwantumtoestanden te realiseren. Dit is de eerste keer ter wereld dat een kwantumtoestand met succes is overgebracht van een foton op aarde A naar een foton op aarde B. Wat in het experiment werd uitgezonden was alleen om de" uit te drukken; staat" van kwantuminformatie, en het foton zelf als informatiedrager werd niet uitgezonden. Al snel hebben Pan Jianwei en zijn medewerkers nieuwe doorbraken bereikt in de studie naar het zuiveren van hoogwaardige kwantumverstrengelde toestanden. Voor teleportatie van kwantumtoestanden over lange afstanden is het vaak nodig om van tevoren twee verre plaatsen de grootste kwantumverstrengelde toestand te laten delen. Door verschillende onvermijdelijke omgevingsgeluiden zal de kwaliteit van kwantumverstrengelde toestanden echter steeds slechter worden naarmate de transmissieafstand toeneemt. Daarom is het zuiveren van hoogwaardige kwantumverstrengelde toestanden op dit moment een belangrijke kwestie in kwantumcommunicatieonderzoek.

Veel internationale onderzoeksgroepen werken aan dit onderwerp en hebben een reeks theoretische oplossingen voorgesteld voor de zuivering van kwantumverstrengelde toestanden, maar geen van deze kan worden bereikt met bestaande technologie. Later ontdekten Pan Jianwei en anderen de theoretische oplossing van kwantumverstrengelde toestandszuivering die experimenteel haalbaar is door de bestaande technologie te gebruiken, en in principe het fundamentele probleem van kwantumcommunicatie over lange afstanden tegenwoordig hebben opgelost. Deze onderzoeksprestatie is zeer gewaardeerd door de internationale wetenschappelijke gemeenschap en wordt" genoemd; een sprong in kwantumcommunicatieonderzoek over lange afstanden" ;.