TELEPORTACJA NIEZNANEGO STANU KWANTOWEGO

Podobne dokumenty
Splątanie a przesyłanie informacji

Protokół teleportacji kwantowej

VIII. TELEPORTACJA KWANTOWA Janusz Adamowski

O teleportacji i telepatii, czyli jak zostać wróżbitą w Polsce.

VII Festiwal Nauki i Sztuki. Wydziale Fizyki UAM

Fizyka dla wszystkich

Miary splątania kwantowego

interpretacje mechaniki kwantowej fotony i splątanie

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

Kwantowe stany splątane w układach wielocząstkowych. Karol Życzkowski (UJ / CFT PAN) 44 Zjazd PTF Wrocław, 12 września 2017

MOŻLIWOŚCI PRZESYŁANIA INFORMACJI W SIECIACH Z WYKORZYSTANIEM EFEKTÓW KWANTOWYCH 1

Kryptografia. z elementami kryptografii kwantowej. Ryszard Tanaś Wykład 13

ANALIZA PORÓWNAWCZA PROTOKOŁÓW BB84 ORAZ SARG COMPARATIVE ANALYSIS OF PROTOCOLS BB84 AND SARG

Obliczenia inspirowane Naturą

Kwantowa kooperacja. Robert Nowotniak. Wydział Fizyki Technicznej, Informatyki i Matematyki Stosowanej Politechnika Łódzka

Komputery Kwantowe. Sprawy organizacyjne Literatura Plan. Komputery Kwantowe. Ravindra W. Chhajlany. 27 listopada 2006

WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI

XIII Poznański Festiwal Nauki i Sztuki. Wydziale Fizyki UAM

Wprowadzenie do optycznej kryptografii kwantowej

Kryptografia kwantowa. Marta Michalska

O symetrycznej rozszerzalności stanów kwantowych i jej zastosowaniach

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2005

Informatyka Kwantowa Sekcja Informatyki Kwantowej prezentacja

Informatyka kwantowa. Zaproszenie do fizyki. Zakład Optyki Nieliniowej. wykład z cyklu. Ryszard Tanaś. mailto:tanas@kielich.amu.edu.

Rozdział. Symulacyjne badanie splątania w protokołach kryptograficznych Motywacja

O spl ataniu kwantowym s lów kilka

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

Internet kwantowy. (z krótkim wstępem do informatyki kwantowej) Jarosław Miszczak. Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN

Kwantowe stany splątane. Karol Życzkowski Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński 25 kwietnia 2017

12. Wymagania wstępne w zakresie wiedzy, umiejętności i kompetencji społecznych dla przedmiotu/modułu oraz zrealizowanych przedmiotów

Podstawy informatyki kwantowej

VIII Festiwal Nauki i Sztuki. Wydziale Fizyki UAM

VI. KORELACJE KWANTOWE Janusz Adamowski

W5. Komputer kwantowy

Wstęp do algorytmiki kwantowej

Jak wygrywać w brydża znając mechanikę kwantową?

kondensat Bosego-Einsteina

Radosław Chrapkiewicz, Piotr Migdał (SKFiz UW) Optyczny wzmacniacz parametryczny jako źródło splątanych par fotonów

Fizyka klasyczna. - Mechanika klasyczna prawa Newtona - Elektrodynamika prawa Maxwella - Fizyka statystyczna -Hydrtodynamika -Astronomia

TEORIE KWANTOWE JAKO PODSTAWA NOWOCZESNEJ KRYPTOGRAFII QUANTUM TEORIIES AS MODERN CRYPTOGRAPHY BASIS

Kwantowe splątanie dwóch atomów

Seminarium: Efekty kwantowe w informatyce

V. KWANTOWE BRAMKI LOGICZNE Janusz Adamowski

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 24, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Świat klasyczny i kwantowy por. WYKŁAD nr 2. Splątane stany - EPR. por. WYKŁAD nr 2. Kwantowa kryptografia i teleportacja. Splątanie kwantowe

Świat klasyczny i kwantowy

Niezwykłe cechy informacji kwantowej

Wykorzystanie stanów splątanych w informatyce kwantowej

Różne oblicza splątania kwantowego

Zwiększanie losowości

Kryptografia. z elementami kryptografii kwantowej. Ryszard Tanaś Wykład 9

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

Wprowadzenie do teorii komputerów kwantowych

Few-fermion thermometry

KWANTOWA DYSTRYBUCJA KLUCZA: STAN WIEDZY

Kwantowe języki programowania

Historia. Zasada Działania

WERYFIKACJA MODELU DYNAMICZNEGO PRZEKŁADNI ZĘBATEJ W RÓŻNYCH WARUNKACH EKSPLOATACYJNYCH

Streszczenie. Abstract

Informatyka kwantowa i jej fizyczne podstawy Rezonans spinowy, bramki dwu-kubitowe

Wstęp do komputerów kwantowych

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2006

IX. KRYPTOGRAFIA KWANTOWA Janusz Adamowski

Informatyka kwantowa

Informatyka kwantowa. Karol Bartkiewicz

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

PRÓBY EKSPLOATACYJNE KOMPOZYTOWYCH WSTAWEK HAMULCOWYCH TOWAROWEGO

Rola superkomputerów i modelowania numerycznego we współczesnej fzyce. Gabriel Wlazłowski

Symulacja obliczeń kwantowych

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytet Gdański Gdańsk, Sprawozdanie z pracy naukowej w roku 2004

General paradigm for distilling classical key from quantum states - on quantum entanglement and security

WYKORZYSTANIE OPROGRAMOWANIA ADAMS/CAR RIDE W BADANIACH KOMPONENTÓW ZAWIESZENIA POJAZDU SAMOCHODOWEGO

Teleportacja stanów atomowych z wykorzystaniem kwantowej interferencji pól wychodzących z dwóch rezonatorów

Wolność, prywatność i bezpieczeństwo o polskiej szlachcie, Internecie, komputerach kwantowych i teleportacji

BADANIA CERTYFIKACYJNE NAKŁADEK WĘGLOWYCH CERTIFICATION RESEARCHES OF CARBON CONTACT STRIPS

Gry kwantowe na łańcuchach spinowych

WPŁYW OGRANICZENIA RUCHU TRANZYTOWEGO W MIEŚCIE NA POZIOM HAŁASU KOMUNIKACYJNEGO

Edukacja przez badania. Internet dla Szkół 20 lat! Wolność, prywatność, bezpieczeństwo

5. Teleportacja stanu kwantowego

Kwantowe przelewy bankowe foton na usługach biznesu

E-commerce as the basis of the present economy

Odkrywanie algorytmów kwantowych za pomocą programowania genetycznego

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

PRACA MINIMALNA ZIĘBNICZEGO OBIEGU LEWOBIEŻNEGO

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Modelling of quantum informatics systems with the use of quantum programming languages and symbolic computation

Sprawozdanie z pracy naukowej w roku SYNTETYCZNE PODSUMOWANIE DZIAŁALNOŚCI NAUKOWO-BADAWCZEJ

Czym jest Fizyka? Podstawowa nauka przyrodnicza badanie fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii oraz zjawisk w przyrodzie gr. physis - prz

Kryptografia kwantowa

Wielcy rewolucjoniści nauki

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

WSPÓŁPRACA NAPĘDÓW ZWROTNICOWYCH ZE ZWROTNICAMI ROZJAZDÓW DUŻYCH PRĘDKOŚCI

THE MOVEMENT SPEED OF PEDESTRIANS IN REFERENCE TO ROAD ACCIDENTS TAKING INTO ACCOUNT THE SPECIAL MOVEMENT CONDITIONS PART 1

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Operacje na spinie pojedynczego elektronu w zastosowaniu do budowy bramek logicznych komputera kwantowego

Na kilku przykładach pokazano, że stosowanie matematyki do zjawisk, których istota nie jest znana, może zaprowadzić fizykę w ślepy zaułek.

Strategie kwantowe w teorii gier

METODYKA CERTYFIKACJI PODSYSTEMU STEROWANIE

Transkrypt:

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 04 Seria: ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE z. 68 Nr kol. 905 Marcin SOBOTA Politechnika Śląska Wydział Organizacji i Zarządzania TELEPORTACJA NIEZNANEGO STANU KWANTOWEGO Streszczenie. Artykuł przedstawia protokół kwantowej teleportacji nieznanego stanu kwantowego. Treść zawiera matematyczne podstawy teleportacji, przedstawia schemat układu teleportującego oraz opisuje dlaczego teleportacja pozostaje w zgodzie z twierdzeniem o nieklonowaniu. Opisane zostaną stany Bella oraz wszystkie możliwe przypadki teleportacji tych stanów. Słowa kluczowe: kwantowa teleportacja, stan kwantowy, twierdzenie o nieklonowaniu. TELEPORTATION OF UNKNOWN QUANTUM STATE Summary. The article presents an unknown quantum state teleportation Protocol. The content includes basic math teleportation, shows a model of teleportation and describes why teleportation is in harmony with the non-cloning theorem. Keywords: quantum teleportation, quantum state, non cloning theorem.. Wstęp Słowo teleportacja pochodzi od dwóch greckich słów: tele daleko oraz portatio noszenie. Oznacza więc przenoszenie czegoś na duże odległości. W wielu książkach i filmach o tematyce fantastyki naukowej zjawisko to jest przedstawiane jako metoda komunikacji pozwalająca przesyłać obiekty w dowolne miejsce. Czy jednak istnieje praktyczna możliwość realizacji teleportacji? Okazuje się, że zjawisko to może zostać zrealizowane i nie jest jedynie wytworem fantazji autorów książek czy filmów. Pierwszej kwantowej teleportacji dokonano w 997 roku. W 004 roku teleportowano stan kwantowy jednego atomu do drugiego, w 006 roku teleportowano kwantowy stan impulsu światła do biliona atomów cezu, a w 0 roku teleportowano pierwszą falę świetlną.

398 M. Sobota Rok później wyrównano ówczesny rekord w najdalszej teleportacji kwantowej, dokonując jej na odległość 43 kilometrów. Również w tym roku teleportowano stan kwantowy grupy atomów do drugiej. W 03 roku kubity materii teleportowano na rekordową odległość metrów [4, 5, 6, 7, 8, 9].. Protokół kwantowej teleportacji Kwantowa teleportacja wykorzystuje stany splątane [,, 3]. Splątanie oznacza, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części. Dodatkowo stany splątane mają taką cechę, że wykonanie lokalnego pomiaru na jednej ze splątanych cząstek błyskawicznie (niezależnie od odległości) wpływa na stan drugiej cząstki. Te dwie cechy pozwalają wykorzystać splątanie do przeprowadzenia teleportacji nieznanego stanu kwantowego. Schemat teleportacji przedstawia rysunek. Rys.. Schemat teleportacji stanu kwantowego Fig.. Quantum teleportation Źródło: opracowanie własne. Mechanizm teleportacji opisano poniżej.. Alicja i Bolek otrzymują po jednym kubicie z pary splątanych kubitów. W protokole teleportacji wykorzystywany jest jeden z czterech tzw. stanów Bella. Wybrany stan kwantowy może wyglądać następująco: 00 () Splątana para może być generowana po stronie Alicji, Bolka lub przez zewnętrzne źródło.. Alicja generuje kubit, którego stan będzie teleportowany. Określamy go jako: 0 () 3. Rozpatrywany stan układu, zawierający dwa stany splątane i nieznany stan przeznaczony do teleportacji, wygląda następująco:

Teleportacja nieznanego stanu kwantowego 399 000 0 00 (3) 4. Alicja wykonuje operację CNOT na teleportowanym kubicie i jednym kubicie z pary. Stan układu zmienia się na następujący: 000 0 0 0 (4) 5. Potem Alicja wykonuje operację Hadamarda na swoim nieznanym kubicie. Stan układu zmienia się na następujący: 0 00 0 0 0 0 0 = 000 00 0 00 0 00 0 = (5) = 00 0 0 0 0 0 0 Alicja, dokonując przekształcenia na bramce Hadamarda, powoduje powstanie splątania między posiadanymi przez nią kubitami, co z kolei wpływa na rozplątanie pary pierwotnie splątanej i przejście kubitu Bolka do określonego stanu. 6. Kolejnym krokiem jest wykonanie pomiaru przez Alicję na dwóch swoich kubitach. Alicja może otrzymać jeden z czterech możliwych stanów: 00 ; 0 ; 0 ; (6) Otrzymanie przez Alicję określonego wyniku oznacza, iż zdobywa ona wiedzę na temat stanu, w jakim znajduje się kubit przesłany do Bolka. Ostatnim działaniem Alicji jest przesłanie Bolkowi informacji, w jaki sposób musi on przekształcić swój kubit. Bolek po wykonaniu przekształcenia otrzymuje kopię teleportowanego kubitu. Na swoim kubicie Bolek dokonuje przekształceń, wykorzystując odpowiednią bramkę Pauliego: 0 - bramkę X, 0 0 - bramkę Z lub odpowiednią ich kombinację. 0 Przekształcenia, które musi wykonać Bolek w prezentowanym przykładzie, są następujące: - wynik 00 oznacza, że po stronie Bolka kubit jest w stanie 0, a to oznacza, że nie wymaga przekształceń. - Wynik 0 oznacza, że po stronie Bolka kubit jest w stanie 0, a to oznacza, że kubit powinien zostać przekształcony bramką Pauliego X. - Wynik 0 oznacza, że po stronie Bolka kubit jest w stanie 0, a to oznacza, że kubit powinien zostać przekształcony bramką Pauliego Z.

400 M. Sobota - Wynik oznacza, że po stronie Bolka kubit jest w stanie 0, a to oznacza, że kubit powinien zostać przekształcony bramką Pauliego Z, a następnie bramką X. Jeżeli wybranym stanem Bella jest 00 następująco: 000 Po działaniu bramką CNOT: Po działaniu bramką Hadamarda:, to przekształcenia wyglądają 0 00 (7) 000 0 0 0 (8) 0 00 0 0 0 0 = 000 00 0 00 0 00 0 = = 00 0 0 0 0 0 0 (9) Jeżeli wybranym stanem Bella jest 0 0 Po działaniu bramką CNOT: 00 Po działaniu bramką Hadamarda: 0, to przekształcenia wyglądają następująco: 00 00 0 0 (0) 00 00 () 0 0 0 0 0 0 = 00 0 00 0 0 000 00 = = 00 0 0 0 0 0 0 () Jeżeli wybranym stanem Bella jest 0 0 00, to przekształcenia wyglądają następująco: 00 00 0 0 (3) = =

Teleportacja nieznanego stanu kwantowego 40 Po działaniu bramką CNOT: 00 Po działaniu bramką Hadamarda: 00 00 (4) 0 0 0 0 0 0 = 00 0 00 0 0 000 00 = = 00 0 0 0 0 0 0 (5) 00 = 3. Wnioski Teleportacja stanu kwantowego, mimo tego, że wydawała się niemożliwa do realizacji ze względu na rzekomą sprzeczność z twierdzeniem o nieklonowaniu, jest faktem. Należy podkreślić, że nie można tutaj mówić o klonowaniu nieznanego stanu kwantowego, dlatego że Alicja nie dokonuje pomiaru tego stanu. Zamiast tego wykonuje pomiary na układzie, który posiada, wykorzystując kwantową możliwość lepszego poznania stanu całego układu niż jego części (cecha niemożliwa do uzyskania w klasycznych pomiarach). Ponieważ jeden z kubitów układu mierzonego przez Alicję stanowi część stanu splątanego z kubitem Bolka, pomiary po stronie Alicji wpływają na stan kubitu Bolka. Alicja po dokonaniu pomiarów wie jednak, w jakim stanie znajduje się kubit Bolka, i kanałem klasycznym informuje go, jakich przekształceń musi dokonać, by uzyskać stan identyczny z nieznanym stanem teleportowanym. Pozostaje jeszcze kwestia prędkości, z jaką stan jest teleportowany. Co prawda, przejście stanu kubitu Bolka do określonego stanu odbywa się natychmiast po tym, jak Alicja dokonuje pomiarów na własnym kubicie należącym do splątanej pary (czyli z prędkością większą od prędkości światła w próżni), jednak końcowe przekształcenia wymagają komunikacji kanałem klasycznym, a to ogranicza prędkość przesłania informacji do prędkości światła. Oznacza to, że w przypadku teleportacji stanu kwantowego nie można mówić o przesłaniu informacji z prędkością przekraczającą prędkość światła w próżni.

40 M. Sobota Bibliografia. Brassard G,, Braunstein S., Cleve R., Teleportation as a Quantum Computation. Physica D, 0, 998, p. 43-47.. Rigolin G., Quantum Teleportation of an Arbitrary Two Qubit State and its Relation to Multipartite Entanglement. Phys. Rev., 005. 3. Vaidman L., Teleportation of Quantum States. Phys. Rev. A, 994. 4. Bouwmeester D., Pan J.W., Mattle K., Eibl M., Weinfurter H., Zeilinger A., Experimental Quantum Teleportation. Nature, 390, 6660, 997, p. 575-579. 5. Boschi D., Branca S., De Martini F., Hardy L., Popescu S., Experimental Realization of Teleporting an Unknown Pure Quantum State via Dual classical and Einstein-Podolsky- Rosen channels. Phys. Rev. Lett., 80, 6, 998, p. -5. 6. Marcikic I., de Riedmatten H., Tittel W., Zbinden H., Gisin N., Long-Distance Teleportation of Qubits at Telecommunication Wavelengths. Nature, 4, 003, p. 509. 7. Ursin R. et al., Quantum Teleportation Link across the Danube. Nature, 430, doi:0.038/430849a, 004, p. 849. 8. Riebe M., Häffner H., Roos C.F., Hänsel W., Ruth M., Benhelm J., Lancaster G.P.T., Körber T.W., Becher C., Schmidt-Kaler F., James D.F.V., Blatt R., Deterministic Quantum Teleportation with Atoms. Nature, 49, doi:0.038/nature0570, 004, p. 734-737. 9. Jacak M., Jóźwiak I., Jacak J., Gruber J., Jacak W., Wprowadzenie do kryptografii kwantowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 03. Abstract The article presents a quantum state teleportation protocol. Alice has got a qubit dependent on teleportation, and one of the pair of entangled qubits. The second qubit of the pair of entangled qubits is sent to Bob. Alice performs transformations and measurements on the pair of qubits she possesses. These transformations lead to determine the state of the Bob`s qubit. Alice informs Bob how to transform his qubit. Transformated state of the Bob`s qubit corresponds exactly a state of teleportating qubit`s state.