Wir alle kennen verschiedene Superhelden und ihre einzigartigen Fähigkeiten, ob es uns gefällt oder nicht. Daher ist die Frage, welche Art von Supermacht Sie haben möchten, nicht so selten. Jemand möchte unglaublich stark sein, wie der Hulk, jemand - schnell, wie Flash, und jemand würde Batmans Superkräfte nicht aufgeben - Geld. Aber diejenigen, die mindestens einmal im Stau vom Mars zur Venus waren, gaben alles für die Gelegenheit, sich zu teleportieren. Das Konzept der Teleportation klingt aus Sicht der Science-Fiction sehr aufregend, aber in Wirklichkeit existiert diese Supermacht auch, aber weit davon entfernt, dass die Menschen damit ausgestattet sind. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, in der Wissenschaftler der Yokohama University (Japan) Informationen in einen Diamanten teleportieren konnten. Wie haben Wissenschaftler das gemacht, wie seitwärts ist die Quantenphysik und was bedeutet das für die Zukunft der Datenspeichertechnologien? Antworten erwarten uns in einem Bericht von Wissenschaftlern. Lass uns gehen.
Studienbasis
Zunächst ist anzumerken, dass der vollständige Name des diskutierten Phänomens Quantenteleportation ist. Das Prinzip dieses Prozesses ist für die Quanteninformationstechnologie von entscheidender Bedeutung. Um beispielsweise eine Quantenkommunikation zu implementieren, sind Quantenwiederholer erforderlich, die ein Qubit (Quantenbit) an einen entfernten Knoten übertragen, ohne den Zustand dieses Qubits selbst preiszugeben. Bei Berechnungsverfahren hilft die Teleportation dabei, die sichere Übertragung von Eingabe- und Ausgabedaten durch Quantenkommunikation für das Quantenblind-Computing zu implementieren.
Der wichtigste Aspekt der Quantenteleportation ist die zu erwartende Übertragung von Quanteninformationen in einen unzugänglichen Raum sowie die Übertragung von Photoneninformationen in den Quantenspeicher, ohne gespeicherte Quanteninformationen preiszugeben oder zu zerstören.
In dieser Arbeit demonstrieren Wissenschaftler ein Arbeitsschema zur Übertragung eines Quantenzustands der Photonenpolarisation auf den Kernspin eines Kohlenstoffisotops, das an das
NV-Zentrum * eines Diamanten gebunden ist.
Das NV-Zentrum * ist eine stickstoffsubstituierte Lücke in Diamant, d.h. Ein Punktdefekt in Diamant, wenn die Struktur seines Kristallgitters aufgrund der Entfernung des Kohlenstoffatoms von der Gitterstelle und der Bindung des Leerraums an das Stickstoffatom verletzt wird.
Der Kohlenstoffspin wird zuerst mit dem Elektronenspin verwickelt, der dann das Photon in seinem eigenen Zustand absorbieren kann, korreliert mit der Spin-Bahn-Wechselwirkung. Die Detektion eines Elektrons nach Relaxation im Grundzustand des Spins ermöglicht die postselektive Übertragung einer beliebigen Polarisation eines Photons in das Kohlenstoffgedächtnis.
Das Quantenzustandsübertragungsschema ermöglicht die Implementierung von Quantenspeichervorrichtungen sowohl für skalierbare Quantenwiederholer (Repeater) der Fernkommunikation mit Quantensystemen als auch für verteiltes Quantencomputing.
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler den Kernkohlenstoffspin durch Stickstoff als Nanomagnet erfolgreich initiieren und manipulieren, um die Entartung des Elektrons zu beseitigen und ein Magnetfeld von Null auf dem Kohlenstoffkernspin aufrechtzuerhalten. Das Folgende ist der Prozess der Übertragung des Polarisationszustands von Photonen auf den Quantenzustand des Spins, dh die Teleportation. All dies wurde erfolgreich durch praktische Experimente und Beobachtungen verifiziert, deren Ergebnisse wir etwas später kennenlernen werden, da die Forscher uns zunächst das Prinzip ihrer Wundertechnologie erklären wollen.
Arbeitsprinzip
Die Basis der Quantenteleportation ist die Vorbereitung von Verschränkungen und Messungen auf der Bell-Basis, was zur postselektiven Übertragung des Quantenzustands führt (
1a ).
Bild Nr. 1Zu Beginn wird eine Verschränkung zwischen dem Elektronenspin und dem Kernkohlenstoffspin hergestellt. Dann wird die Polarisation von Photonen durch Spin von Elektronen auf der Bell-Basis durch Absorption von Photonen gemessen, um den Polarisationszustand von Photonen in den Zustand von Kohlenstoffspin (
1b ,
1c ) zu übertragen.
In dem praktischen Protokoll eines Einwegsystems von Quantenrepeatern mit einem NV-Zentrum an jedem Knoten wird ein Photon von einem Knoten emittiert, wobei das Elektron mit diesem Photon (
1d ) verwickelt bleibt. Der Erfolg der Speicherung von Photonen in einem anderen Knoten führt zu einer Verschränkung zwischen zwei benachbarten Knoten.
Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant besteht aus einer Beimischung von Stickstoff (
14 N) und einer benachbarten Leerstelle (
V ), wobei das Elektron (
e ) im Triplettzustand (
1b ) lokalisiert ist. Der Elektronen- und Stickstoffkern hat die Spin-1-Eigenschaft, die ein dreistufiges V-Typ-System mit zwei entarteten Zuständen
m s , I = ± 1 (bezeichnet als | ± 1⟩
e , N ), die ein logisches Qubit bilden, und den Zustand
m s , I = bildet 0 (bezeichnet mit | 0⟩
e , N ), das ein Hilfs-Qubit ist. Dann tritt eine Nullfeldaufspaltung (ungefähr 2,87 GHz) für die Elektronen- und Kernquadrupolspaltung (ungefähr 4,95 MHz) für Stickstoff auf.
Andererseits zeigt der Kohlenstoffkernspin (
13 C), der durch Hyperfeinwechselwirkung (0,9 MHz in dieser Arbeit) schwach an das Elektron gebunden ist, die 1/2 Spin-Eigenschaft, die ein zweistufiges System mit zwei entarteten
m I = ± 1/2 Zuständen darstellt (bezeichnet als | ↑⟩
, | ↓⟩
) in einem Nullmagnetfeld (
1c ).
Um die Spinverschränkung zwischen den Elektronen- und Kohlenstoffkernspins herzustellen, werden sie zuerst bei | 0⟩
e , | ↓⟩
initialisiert. Trotz der Tatsache, dass es schwierig ist, den Kernkohlenstoffspin in einem Magnetfeld von Null zu initialisieren, ermöglicht die Kernquadrupolspaltung des Kernstickstoffspins unter Verwendung eines polarisierten Elektronenspins die Polarisation von | + 1⟩
N , das als Nanomagnet verwendet wird, um ein lokales Magnetfeld zur Initialisierung an ein Elektron anzulegen Kernkohlenstoffspin (
1c ).
Bild Nr. 2Als nächstes wurde rotes Licht verwendet, um
CPT * (Coherent Population Trapping) zu implementieren, das ein Elektron in einem Spin-Orbit-korrelierten Eigenzustand | 2⟩ = 1 / √2 (| +1, -1⟩
l, e + | -1, + 1⟩
l, e (l und
e bezeichnen die Umlauf- und Spinwinkelimpulse des Elektrons), wenn die rechte Zirkularpolarisation | + 1⟩
p zuerst das Elektron in | + 1⟩
e polarisiert und dann der Kernstickstoffspin in | + 1⟩
N ( violette Linie auf
2a ).
CPT * ist ein Phänomen, wenn eine Reihe von Atomen in einem dunklen Zustand kohärent „stecken bleibt“ (ein Atom oder Molekül kann keine Photonen absorbieren).
Somit wird die Entartung des Elektronenspins aufgrund der Hyperfeinwechselwirkung mit Stickstoff beseitigt, die zum selektiven Übergang des Kohlenstoffkernspins von | ↓⟩
C zu | ↑⟩
C beiträgt (grüne Linie bei
2a ). Abbildung
2b zeigt die Initialisierungsprozesse der Kernspins von Stickstoff und Kohlenstoff.
Das Elektron wird erneut mit rotem Licht, dem Resonanzzustand | A l⟩, auf | 0⟩
e initialisiert. Dann werden das Elektron und der Kohlenstoff unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung und einer Radiowelle verarbeitet, um eine Verschränkung zwischen ihnen bei |
+ ⟩
e , C = 1 / √2 (| + 1, ↑⟩
e , C + | -1, ↓⟩
e , C , zu erzeugen). Abbildung
2c ist ein Quantendiagramm des gesamten Prozesses.
Dies ist einer der vier Zustände von Bell.
Ferner kann das Elektron ein ankommendes Photon mit einer beliebigen Polarisation absorbieren, das das Elektron in einem anderen Spin-Orbit-Eigenzustand anregt. Die Absorption eines Photons projiziert den Polarisationszustand des Photons und den Spinzustand des Elektrons in einem der Bell-Zustände. Die Projektion des hergestellten Zustands, bestehend aus einer beliebigen Polarisation von Photonen und einem verschränkten Elektron-Kohlenstoff-Zustand, wird wie folgt ausgedrückt:
Als Ergebnis erhalten wir den Polarisationszustand des Photons mit der zusätzlichen Einheitsoperation σ
y .
Experimentelle Teleportationsimplementierung
Und jetzt können Sie von Wörtern (oder besser Formeln) zu Handlungen übergehen. Zunächst wurde die Phasenkorrelation zwischen dem Eingangsphoton und dem übertragenen Kohlenstoff gemessen, was die Erhaltung der Quantenkohärenz im Übertragungsvorgang zeigt.
Bild Nr. 3Abbildung
3a zeigt die Abhängigkeit der Photonenpolarisation von der Population der Kohlenstoffkernspins, gemessen entlang der Achse | +⟩
C - | -⟩
C. Diese Daten wurden erhalten, indem die Anzahl der Photonen nach Anlegen einer Radiowelle und Mikrowellenstrahlung gemessen wurde, gefolgt von rotem Licht, das mit dem Zustand | E x⟩ in Resonanz steht. Wie Wissenschaftler vermuteten, wird eine starke gegenphasige Korrelation beobachtet, die auf die Quantennatur des Transfers hinweist.
Anschließend beschlossen die Forscher, die Gültigkeit des Quantenprozesses während des Zustandstransfers durch Anwendung von sechs Grundzuständen der Photonenpolarisation (
3b ) zu überprüfen. Anschließend schätzten sie den Zustand des Kernkohlenstoffspins nach dem Transfer anhand der Tomographie des Quantenzustands. Bild
3b zeigt die Bloch-Vektoren für Kohlenstoffkern-Spinzustände, die von sechs Photonenpolarisationen übertragen wurden.
Wiedergabetreue * - In der Quanteninformatik ist dies ein Maß für die Nähe zweier Quantenzustände. Es drückt die Wahrscheinlichkeit aus, dass eine der Bedingungen den Test besteht, wodurch sie als die zweite identifiziert wird.
Die Wiedergabetreue erreichte einen Durchschnitt von 78 ± 2%, was die klassische Grenze von 67% (
3d ) deutlich überschreitet. Die Bloch-Vektoren ermöglichten es, den Quantentransferkanal zu schätzen, wie in
3d gezeigt. Die Genauigkeit des Übertragungsprozesses betrug 76%. Dies legt nahe, dass der Übertragungskanal die Quantenkohärenz unterstützt.
Eine Abnahme der Wiedergabetreue des Quantenzustands ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen: die Unvollkommenheit der Verschränkungs- und Bell-Zustandsmessungen, die durch unvollständige Initialisierung der Spins verursacht wird (
3f ); Mischen von angeregten Orbitalzuständen aufgrund von Kristallverformung (
3 g ); Phasendrehung beim Messen des Bell-Zustands; Verschlussfehler.
Die Genauigkeit der Initialisierung kann durch Wiederholen der Initialisierungssequenz verbessert werden, und der Effekt der Verformung des Kristalls kann durch Identifizieren von e
x und e
y , die
x- und
y- Komponenten der Verformung sind, ausgeglichen werden. Eine Phasenrotation kann vermieden werden, indem der Kernstickstoffspin vor dem Transfer bei | 0⟩
N initialisiert wird.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den
Bericht von Wissenschaftlern und
zusätzliche Materialien zu lesen.
Nachwort
Die Forscher selbst sagen, dass ihre Technik noch in den Kinderschuhen steckt, was durch die erfolgreiche Übertragung des Polarisationszustands von nur einem Photon belegt wird, während ein Impuls (200 nW, 20 ns) etwa 10
4 Photonen enthält. Folglich beträgt die Wahrscheinlichkeit, mindestens zwei von ihnen zu übertragen, 2,5%. Dies ist nicht astronomisch klein, aber für Prahlerei und Tapferkeit ist es immer noch nicht genug, und Wissenschaftler verstehen dies. In Zukunft wollen sie ihre Idee weiter verbessern. Sie sind sicher, dass ihre Arbeit bei der Implementierung von Technologien, die von vielen als Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantendatenlager erwartet werden, sehr nützlich sein wird. Egal wie lange der Prozess der Erstellung aller oben genannten Technologien dauert, dies wird definitiv früher als die Veröffentlichung von Portal 3 geschehen (Entschuldigung, ich konnte nicht widerstehen).
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)
Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung
aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen
Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).
Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2,6 GHz 14C 64 GB DDR4 4 x 960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 199 US-Dollar in den Niederlanden! Dell R420 - 2x E5-2430 2,2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TB - ab 99 US-Dollar! Lesen Sie mehr über
den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?