querido lector,
Bienvenido de nuevo a nuestra serie sobre Mecánica Cuántica. En los artículos anteriores hemos discutido en profundidad el origen de la mecánica cuántica, conceptos básicos, problemas de verificación e interpretación experimentales y la aplicación de la computación cuántica. Hoy en día, continuamos explorando otras dos áreas de aplicación convincentes de la mecánica cuántica: la comunicación cuántica y la detección cuántica.
1. Comunicación cuántica: teletransportación cuántica y distribución de claves cuánticas
La comunicación cuántica es el uso de las propiedades de la mecánica cuántica para lograr una transmisión de información segura y eficiente. Entre ellos, la teletransportación cuántica y la distribución de claves cuánticas son dos protocolos de comunicación cuánticos importantes.
1.1 Teletransportación cuántica
La teletransportación cuántica se refiere a la transferencia de un qubit de información de un lugar a otro, en lugar de mediante transferencias convencionales de materia o energía. Durante este proceso de transmisión, la información del qubit parece transmitirse instantáneamente, lo que viola la ley de causalidad de la relatividad, pero en realidad no viola la causalidad.
En el corazón de la teletransportación cuántica se encuentra el entrelazamiento cuántico. Al entrelazarse dos qubits, sus estados siguen estando correlacionados incluso si están muy separados. Cuando el estado de un qubit cambia, el estado del otro qubit cambia inmediatamente. Utilizando esta relación de entrelazamiento, podemos lograr la teletransportación cuántica.
Los pasos específicos de la teletransportación cuántica son los siguientes:
Cree un par entrelazado: Alice, el remitente, y Bob, el receptor, crean conjuntamente un par de qubits entrelazados y se quedan con una parte de ellos cada uno.
Transmisión de información: Alice realiza una serie de operaciones sobre los qubits a transmitir y los bits entrelazados que retiene, y mide un conjunto de información.
Pasar información clásica: Alice envía el resultado de la medición a Bob a través de un canal clásico.
Reconstrucción de qubits: Bob opera con los bits entrelazados que retiene en función de la información recibida, reconstruyendo así exactamente el mismo estado que los qubits transmitidos por Alice.
A través de la teletransportación cuántica, la información del qubit se puede transmitir instantáneamente en el espacio y, debido a las características del entrelazamiento cuántico, el proceso de transmisión es muy sensible a la interferencia externa. Una vez que alguien intenta escuchar o interceptar información, el entrelazamiento cuántico se destruirá inmediatamente, por lo que En esa comunicación ambas partes notaron de inmediato la filtración de información.
1.2 Distribución de claves cuánticas
La distribución de claves cuánticas es un protocolo de comunicación cuántica para la distribución segura de claves. En la comunicación tradicional, la distribución de claves a menudo corre el riesgo de ser escuchada o atacada. La distribución de claves cuánticas utiliza los principios de medición y entrelazamiento cuántico para garantizar la distribución segura de claves.
El proceso de distribución de claves cuánticas es el siguiente:
Cree un par entrelazado: Alice, el remitente, y Bob, el receptor, crean conjuntamente un par de qubits entrelazados y se quedan con una parte de ellos cada uno.
Transmisión de Qubit: Alice y Bob seleccionan aleatoriamente un punto de referencia de medición en cada par entrelazado y miden el estado del qubit. Debido a las propiedades del entrelazamiento cuántico, las mediciones están perfectamente correlacionadas, incluso si están separadas por grandes distancias.
Comunicación clásica: Alice y Bob intercambian sus mediciones a través de un canal clásico y revelan qué puntos de referencia han elegido.
Extracción de claves: basándose en las mismas mediciones y en la información de referencia disponible públicamente, Alice y Bob pueden extraer una clave coherente. Debido a las propiedades del entrelazamiento cuántico, cualquier escucha ilegal en un qubit se detectará inmediatamente.
La seguridad de la distribución de claves cuánticas se basa en la imposibilidad de clonación del entrelazamiento cuántico, es decir, la información del estado cuántico no se puede copiar ni robar. Por lo tanto, incluso si el canal de transmisión de la comunicación puede correr el riesgo de ser interceptado, la distribución de claves cuánticas puede garantizar la seguridad de la clave.
1.3 Aplicación
El satélite de comunicación cuántica Micius es el primer satélite experimental de ciencia cuántica espacial del mundo desarrollado independientemente por China, experimento de red de clave cuántica de dominio y prueba de integridad de la mecánica cuántica y otras investigaciones experimentales. A las 1:40 del 16 de agosto de 2016, el satélite de comunicaciones cuánticas Micius fue lanzado con éxito al espacio, logrando la primera comunicación cuántica del mundo entre el satélite y la Tierra. Se ha completado oficialmente el establecimiento del sistema de experimentos científicos y comunicación segura cuántica, lo que representa un paso importante en la construcción de una red global de comunicación segura mediante tecnología cuántica.
2. Detección cuántica: medición cuántica y detección cuántica
La detección cuántica es el uso de mediciones cuánticas y la sensibilidad de los estados cuánticos para mediciones y sensores de alta precisión. En la medición tradicional, la precisión de la medición está sujeta a algunas limitaciones físicas, como la precisión del instrumento de medición y la interferencia de ruido. La detección cuántica puede superar estas limitaciones y lograr mediciones de alta precisión utilizando la superposición y coherencia de los estados cuánticos.
2.1 Medición cuántica
En la medición tradicional, podemos utilizar instrumentos de medición para determinar el valor de una cantidad física, como la posición, el impulso, el giro, etc. Sin embargo, el proceso de medición causará interferencia en el estado cuántico, provocando que el estado cuántico colapse a un estado definido después de la medición.
Las mediciones cuánticas explotan las propiedades de los estados de superposición. En la medición cuántica, podemos elegir un punto de referencia de medición apropiado y medirlo. Diferentes puntos de referencia de medición medirán diferentes resultados de medición y, en el estado de superposición, podemos obtener la distribución de probabilidad de todos los resultados de medición posibles al mismo tiempo. Esto permite que las mediciones cuánticas alcancen una alta precisión más allá de las mediciones tradicionales en algunos casos.
2.2 Detección cuántica
La detección cuántica explota la sensibilidad de los estados cuánticos a pequeñas perturbaciones. En la detección tradicional, medir pequeñas perturbaciones a menudo requiere instrumentos muy sofisticados y algoritmos complejos. En la detección cuántica, al utilizar la sensibilidad de los estados de superposición cuántica, podemos lograr una alta sensibilidad a pequeñas perturbaciones.
Un ejemplo clásico son los giroscopios cuánticos. Los giroscopios tradicionales utilizan piezas mecánicas giratorias para medir la velocidad angular de rotación. El giroscopio cuántico utiliza el estado de superposición y el fenómeno de interferencia de los qubits para lograr una medición de alta precisión de la velocidad angular de rotación y, por tanto, tiene importantes aplicaciones en los campos de la navegación inercial y el aeroespacial.
3. Perspectivas futuras de la comunicación y la detección cuánticas
La comunicación cuántica y la detección cuántica, como importantes áreas de aplicación de la mecánica cuántica, nos proporcionan una nueva forma de transmisión y medición de información. A medida que las tecnologías cuánticas continúan avanzando, podemos esperar comunicaciones y mediciones más seguras, eficientes y precisas.
En el futuro, la comunicación cuántica y la detección cuántica desempeñarán un papel importante en los campos de la seguridad de la información, las redes de comunicación, las ciencias de la tierra, la biomedicina y la navegación. La teletransportación cuántica de la comunicación cuántica se puede utilizar para comunicaciones y transmisión de datos de alta seguridad; la distribución de claves cuánticas se puede utilizar para comunicaciones cifradas; la detección cuántica se puede utilizar para mediciones y detección de alta precisión.
Resumir
Como dos importantes áreas de aplicación de la mecánica cuántica, la comunicación cuántica y la detección cuántica proporcionan una nueva forma de transmisión y medición de información. La comunicación cuántica utiliza las características del entrelazamiento cuántico para realizar la teletransportación cuántica y la distribución de claves cuánticas, logrando una transmisión de información segura y eficiente. La detección cuántica utiliza la sensibilidad de los estados cuánticos para lograr mediciones y sensores de alta precisión, y tiene importantes perspectivas de aplicación. Con el desarrollo continuo de la tecnología cuántica, tenemos plena confianza en el futuro de la comunicación y la detección cuánticas, y esperamos que traigan más progreso científico y tecnológico a la humanidad.
Espero que este artículo satisfaga sus necesidades. Por favor, avíseme si tiene alguna otra pregunta o necesidad. ¡Gracias!