Healer en akilleshæl af kvanteforviklinger

Louisiana State University lektor i fysik Mark M. Wilde og hans samarbejdspartner har løst et 20 år gammelt problem inden for kvanteinformationsteori om, hvordan man beregner sammenfiltringsomkostninger - en måde at måle sammenfiltring på - på en måde, der er effektivt at beregne, nyttig, og bredt anvendelig inden for flere kvanteforskningsområder.

I et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , Wilde og medforfatter Dr. Xin Wang fra Baidu Research beskriver, hvordan det at tillade en lidt bredere vifte af fysiske operationer end det, der er kendt som LOCC (lokale operationer og klassisk kommunikation) – som har forvirret kvanteforskere med vanskelig matematik i nogen tid – gør det muligt at karakterisere de nøjagtige sammenfiltringsomkostninger for en given kvantetilstand. Deres arbejde afslutter en langvarig undersøgelse i forviklingsteori, der er kendt som "PPT's nøjagtige sammenfiltringsomkostninger ved en kvantetilstand."

Kvanteinformationsvidenskab sigter mod at forstå og kontrollere de mærkelige og til tider uhyggelige egenskaber ved kvantetilstande (dvs. indviklede stater), der muliggør informationsbehandlingsopgaver, der er umulige i den ikke-kvante verden, såsom teleportering, kvanteberegning, og absolut sikker kommunikation.

Den mest grundlæggende enhed for sammenfiltring er kendt som en klokketilstand. Du kan tænke på det som det mindst mulige molekyle bestående af to sammenfiltrede atomer (qubits, virkelig), hvis sammenfiltring er absolut – hvilket betyder, hvis du kunne kigge på en af ​​dem, du ville vide uden tvivl, at den anden ville være dens tvilling, med samme egenskaber. Som to mennesker, der slår en mønt; hvis én person får haler, hvilket med rimelighed er en 50/50 chance, den anden ville med garanti få haler (eller de får begge hoveder, samme ting), en konsekvens af absolut sammenfiltring eller en klokketilstand. Derudover ingen andre i universet kan vide det nøjagtige resultat af møntkastet, og dette er hovedårsagen til, at sikker kommunikation baseret på kvanteforviklinger er mulig såvel som ønskelig.

"Kvantesammenfiltring er en slags superkorrelation, som to fjerne parter deler, Wilde forklarede. "Hvis verden kun blev beskrevet af klassisk fysik, så ville det ikke være muligt at have de stærke korrelationer til rådighed med kvantesammenfiltring. Imidlertid, vores verden er grundlæggende kvantemekanisk, og sammenfiltring er et væsentligt træk ved det."

Da kvantesammenfiltring først blev opdaget i 1930'erne, det blev anset for at være til gene, fordi det var svært at forstå, og uklart, hvad dets fordele ville være. Men med fremkomsten af ​​kvanteinformationsvidenskab i 1990'erne, det blev i teoretisk forstand forstået som nøglen til bemærkelsesværdige kvanteteknologier. Nylige eksempler på sådanne teknologier inkluderer det kinesiske teleporteringseksperiment fra jord til satellit i 2017 samt Googles kvanteberegningsmæssige overherredømme sidste år.

På LSU, Kvantefysikere som Omar Magaña-Loaiza og Thomas Corbitt udfører rutinemæssigt eksperimenter, der kunne drage fordel af Wilde og Wangs nye og mere præcise mål. I deres respektive laboratorier, Magaña-Loaiza genererede for nylig sammenfiltrede tilstande via betingede målinger, som udgør et vigtigt skridt i udviklingen af ​​sammenfiltrede laserlignende systemer, mens Corbitt udførte en undersøgelse af optomekanisk sammenfiltring, som har potentialet til at være en pålidelig kilde til multifotonsammenfiltring ved korte bølgelængder. Wilde og Wangs nye forviklingsmål, kaldet κ entanglement eller max-logaritmisk negativitet, kan bruges til at vurdere og kvantificere den sammenfiltring, der produceres i en lang række kvantefysiske eksperimenter.

Grundlæggende sammenfiltringsenheder eller klokketilstande er også kendt som e-bits. Entanglement kan ses på to forskellige måder:enten hvor mange e-bits det ville tage at forberede en kvantetilstand, eller hvor mange e-bits man kunne udtrække eller "destillere" fra en kompleks sammenfiltret tilstand. Førstnævnte er kendt som entanglement cost og er det problem, Wilde og Wang overvejede.

"E-bits er en værdifuld ressource, og du vil bruge så få af dem som muligt, " sagde Wilde. "I fysik, man vil ofte se på både frem- og tilbage-processen. Er det reversibelt? Og hvis det er, mister jeg noget undervejs? Og svaret på det er ja."

Wilde indrømmer, at det problem, han og Wang har løst, er noget esoterisk - et matematisk trick. Imidlertid, det vil give kvanteinformationsforskere mulighed for effektivt at beregne sammenfiltringsomkostninger givet visse begrænsninger.

"Ikke alle sammenfiltringsforanstaltninger kan beregnes effektivt og har en betydning som f.eks. sammenfiltringsomkostninger. Det er en vigtig skelnen mellem alt tidligere arbejde og vores, " tilføjede Wilde.

Mens manglen på denne form for foranstaltning har været en akilleshæl inden for kvanteinformationsvidenskab i over 20 år, det var – ironisk nok – Wilde blev max-negativt "viklet ind" under et spil basketball i 2018, der førte til, at han og Wang til sidst løste problemet.

"Jeg brækkede min akilleshæl, mens jeg gik efter spillets vinderpunkt, blev derefter opereret for at reparere det, og kunne ikke komme ud af sengen i halvanden måned, " husker Wilde. "Så, Jeg skrev et forskningspapir om sammenfiltringsomkostninger, og da Xin Wang lærte om det, han spurgte mig, om jeg ville være interesseret i at udvikle dette problem yderligere. Så begyndte vi at arbejde sammen frem og tilbage, og det blev det blad, vi nu har udgivet i Fysisk gennemgangsbreve . Vi blev gode venner og samarbejdspartnere efter det - det er bemærkelsesværdigt de overraskelser, der kan opstå i livet."