Fysikere måler komplementære egenskaber ved hjælp af kvantekloner

(Phys.org) - I kvantemekanik, det er umuligt at præcist og samtidig måle de komplementære egenskaber (såsom position og momentum) for en kvantetilstand. Nu i en ny undersøgelse, fysikere har klonet kvantetilstande og demonstreret, at fordi klonerne er viklet ind, det er muligt præcist og samtidigt at måle klonernes komplementære egenskaber. Disse målinger, på tur, afsløre tilstanden for inputkvantumsystemet.

Evnen til at bestemme de komplementære egenskaber af kvantetilstande på denne måde har ikke kun implikationer for forståelsen af ​​grundlæggende kvantefysik, men har også potentielle applikationer til kvanteberegning, kvantekryptografi, og andre teknologier.

Fysikerne, Guillame S. Thekkadath og medforfattere ved University of Ottawa, Ontario, har udgivet et papir om bestemmelse af komplementære egenskaber ved kvantekloner i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Som fysikerne forklarer, i den klassiske verden er det muligt samtidig at måle et systems komplementære tilstande med nøjagtig præcision, og gør det afslører systemets tilstand. Men som Heisenberg teoretisk foreslog i 1927, da han begyndte at udvikle sit berømte usikkerhedsprincip, enhver måling foretaget på et kvantesystem forårsager en forstyrrelse på det system.

Denne forstyrrelse er størst ved måling af komplementære egenskaber. For eksempel, måling af en partikels position vil forstyrre dens momentum, ændrer sin kvantetilstand. Disse fælles målinger har fascineret fysikere lige siden Heisenbergs tid.

Som en vej udenom vanskeligheden ved at udføre ledmålinger, fysikere har for nylig undersøgt muligheden for at lave en kopi af et kvantesystem, og derefter uafhængigt måle en egenskab på hver kopi af systemet. Da målingerne udføres separat, de forventes ikke at forstyrre hinanden, alligevel ville de stadig afsløre oplysninger om det originale kvantesystem, fordi kopierne deler de samme egenskaber som originalen.

Denne strategi støder straks på en anden kvantebegrænsning:på grund af ikke-kloningssætningen, det er umuligt at lave en perfekt kopi af en kvantetilstand. Så i stedet fysikerne i den nye undersøgelse undersøgte den nærmeste kvante -analog til kopiering, hvilket er optimal kloning. De dele af klonernes tilstande, der deler nøjagtigt de samme egenskaber som input -tilstandens, kaldes "tvillinger".

Mens teoretiske perfekte kopier af en kvantetilstand ikke er korrelerede, tvillingerne er viklet ind. Fysikerne viste, at som en konsekvens af denne sammenfiltring, uafhængigt at måle de komplementære egenskaber på hver tvilling svarer til samtidig måling af de komplementære egenskaber ved inputtilstanden. Dette fører til hovedresultatet af den nye undersøgelse:at samtidig måling af tvillings komplementære egenskaber giver staten (teknisk set bølgefunktionen) af det oprindelige kvantesystem.

"I kvantemekanik, målinger forstyrrer tilstanden i det system, der måles, "Fortalte Thekkadath Phys.org . "Dette er en forhindring, fysikere står over for, når de forsøger at karakterisere kvantesystemer såsom enkeltfotoner. Tidligere, fysikere brugte med succes meget skånsomme målinger (kendt som svage målinger) for at omgå denne forstyrrelse.

"Som sådan, vores arbejde er ikke det første til at bestemme komplementære egenskaber ved et kvantesystem. Imidlertid, Vi har vist, at en anden strategi kan bruges. Det er baseret på en temmelig naiv idé. Antag, at vi vil måle en partikels position og momentum. Ved at disse målinger vil forstyrre partiklens tilstand, kan vi først kopiere partiklen, og måle position på den ene kopi og momentum på den anden? Dette var vores første motivation. Men det viser sig, at kopiering alene ikke er nok. De målte kopier skal også vikles ind, for at denne strategi fungerer.

"Dette er, hvad vi viste eksperimentelt. I stedet for at bestemme positionen og momentum af en partikel, vi bestemte komplementære polarisationsegenskaber for enkelte fotoner. Du ville intuitivt forvente, at denne strategi mislykkedes på grund af ikke-kloningssætningen. Imidlertid, vi viste, at det ikke er tilfældet, og dette er den største betydning af vores resultat:måling af tvillingers komplementære egenskaber afslører direkte kvantetilstanden i det kopierede system. "

Som fysikerne forklarer, et af de vigtigste aspekter af demonstrationen er at arbejde omkring begrænsningerne ved den ikke-klonende sætning.

"I vores daglige liv, information kopieres ofte, f.eks. når vi fotokopierer et dokument, eller når DNA replikeres i vores kroppe, "Thekkadath forklaret." Dog, på et kvante niveau, oplysninger kan ikke kopieres uden at der er indført støj eller mangler. Vi ved dette på grund af et matematisk resultat kendt som den ikke-klonende sætning. Dette har ikke stoppet fysikere fra at prøve. De udviklede strategier, kendt som optimal kloning, der minimerer mængden af ​​støj, der indføres ved kopieringsprocessen. I vores arbejde, vi går et skridt videre. Vi viste, at det er muligt at fjerne denne støj fra vores målinger på kopierne ved hjælp af et smart trick, der teoretisk blev foreslået af Holger Hofmann i 2012. Vores resultater krænker ikke den ikke-klonende sætning, da vi aldrig fysisk producerer perfekte kopier:vi kun kopier de måleresultater, man ville få med perfekte kopier. "

I deres eksperimenter, fysikerne demonstrerede den nye metode ved hjælp af fotoniske tvillinger, men de forventer, at evnen til at præcisere, samtidige målinger af komplementære egenskaber på tvillinger kan også implementeres med kvantecomputere. Dette kan føre til mange praktiske anvendelser, såsom at levere en effektiv metode til direkte at måle højdimensionelle kvantetilstande, som bruges i kvanteberegning og kvantekryptografi.

"Bestemmelse af et systems tilstand er en vigtig opgave i fysik, "Sagde Thekkadath." Når en stat er bestemt, alt om det system er kendt. Denne viden kan så bruges til, for eksempel, forudsige måleresultater og kontrollere, at et eksperiment fungerer efter hensigten. Denne verifikation er især vigtig, når der produceres komplicerede tilstande, såsom dem, der er nødvendige i kvantecomputere eller kvantekryptografi.

"Typisk, kvantetilstande bestemmes tomografisk, meget ligesom hvordan hjernen er afbildet i en CAT -scanning. Denne tilgang har den begrænsning, at staten altid rekonstrueres globalt. I modsætning, vores metode bestemmer værdien af ​​kvantetilstande på ethvert ønsket tidspunkt, at levere en mere effektiv og direkte metode end konventionelle metoder til statsbestemmelse.

"Vi demonstrerede eksperimentelt vores metode ved hjælp af enkeltfotoner. Men, vores strategi er også anvendelig i en række andre systemer. For eksempel, det kan implementeres i en kvantecomputer ved kun at bruge en enkelt kvantelogisk gate. Vi forventer, at vores metode kunne bruges til effektivt at karakterisere komplicerede kvantetilstande inde i en kvantecomputer. "

© 2017 Phys.org