Ud over kloning:Udnyt kraften ved virtuel kvanteudsendelse

I en ny undersøgelse foreslår videnskabsmænd konceptet "virtuel kvanteudsendelse", som giver en løsning på det mangeårige ikke-kloningssætning, og derved tilbyder nye muligheder for transmission af kvanteinformation.

Undersøgelsen, offentliggjort i Physical Review Letters , skitserer et virtuelt udsendelseskort, der skaber korrelerede kopier "virtuelt". Gennem en række af fire teoremer fastslår forskerne levedygtigheden af ​​dette kort, som giver mulighed for at skabe korrelerede kopier af kvantetilstande over tid.

Yderligere demonstrerer forskerne robustheden af ​​den kanoniske ramme, beviser dens fysiske tilnærmelse til den universelle kloner og detaljerer, hvordan kortet kan implementeres.

Virtuel kvanteudsendelse lover at påvirke mange felter inden for kvanteinformationsbehandling ved at udnytte tidsbaserede korrelationer og derved undgå de begrænsninger, som ikke-kloningssætningen pålægger.

Hvorfor kan vi ikke kopiere og indsætte?

Kvantemekanikken er, selv om den er utrolig kraftfuld, bygget sådan, at den forhindrer information i at blive replikeret eller kopieret. En kvantetilstand indkapsler al den relevante information i systemet og kollapser eller ændrer sig til et af de mulige resultater af målingen, når den måles eller observeres.

Det betyder, at vi ikke kan kopiere staten, da den skal måles for at kunne gøre det. Dette princip er kendt som no-cloning teoremet. I enklere termer kan du ikke bare kopiere og indsætte kvanteinformation, som du ville med klassiske data.

Denne begrænsning udgør en væsentlig hindring for kvantekommunikationssystemer, der er afhængige af effektivt at kunne transmittere og reproducere kvanteinformation.

Forskerholdet bestod af prof. Arthur Parzygnat fra MIT, prof. James Fullwood fra Hainan University, prof. Francesco Buscemi fra Nagoya University og prof. Giulio Chiribella fra University of Hong Kong, som forklarede deres motivation til Phys.org.

De var motiveret af dette problem præsenteret af no-cloning teoremet. Deres mål var at studere udviklingen af ​​kvantetilstande over tid og forstå, hvad "korrelation indebærer ikke årsagssammenhæng" betød for rent kvantetilstande.

Virtuel kvanteudsendelse

"Vores vej rundt om dette var at introducere virtuelle kvanteudsendelseskanaler, som, selvom de ikke er ægte fysiske processer, har mange vigtige anvendelser inden for kvanteinformationsbehandling," forklarede prof. Parzygnat.

I modsætning til traditionelle kopieringsmetoder, som er forbudt af ikke-kloningssætningen, fungerer disse virtuelle udsendelseskanaler eller kort virtuelt, hvilket betyder, at de ikke involverer direkte fysisk replikering.

I stedet etablerer kortet korrelationer mellem forskellige forekomster af en kvantetilstand, hvilket effektivt muliggør transmission af information uden at krænke kvantemekanikkens grundlæggende principper.

Det virtuelle udsendelseskort er unikt og opfylder tre simple aksiomer, som forskerne opstiller i sætning 1. Aksiomerne, der styrer det virtuelle udsendelseskort sikrer konsistens under ændringer i:

• Referencerammen.
• Symmetri mellem de modtagende ender.
• Evnen til at kopiere klassisk information upåvirket af dekohærens.

Dette er de grundlæggende krav til et virtuelt udsendelseskort.

Forskerne beviser yderligere (i sætning 2), at en fysisk tilnærmelse af et sådant kort kunne skabes ved hjælp af en universel kloner, en enhed, der kan lave de mest trofaste kopier af en vilkårlig kvantetilstand mulig.

Dernæst viser forskerne, hvordan udsendelseskortet kan opnås ved nedbrydning (sætning 3). Det fastslår, at kortet kan opdeles i to operationer:

• En måle-og-forbered protokol involverer at udføre en virtuel måling på kvantesystemet for at skabe en virtuel, der udfører en virtuel måling på kvantesystemet.
• Derefter genereres to kopier af den virtuelle kvantetilstand baseret på resultaterne af den virtuelle måling udført i det foregående trin.

Endelig etablerer de (i sætning 4) ækvivalensen mellem virkningen af ​​en tidsudviklingsfunktion og virkningen af ​​det virtuelle udsendelseskort på enhver vilkårlig tilstand. Dette indebærer, at det virtuelle udsendelseskort opfører sig som en tidsoperation, hvilket giver mulighed for at skabe korrelerede virtuelle kopier af kvantetilstande over tid.

"Det mest tiltalende træk ved dette arbejde er, at kortet er unikt kendetegnet ved et simpelt sæt af naturlige krav. Det er derfor, vi kalder det kanonisk. Sådan en unik egenskab ser til gengæld ud til at pege på en helt ny del af kvanteteorien. dvs. dens tidslignende struktur, som stadig stort set er uudforsket," forklarede prof. Buscemi.

Indvirkning på kvanteapplikationer

Ved at etablere en virtuel kvanteudsendelsessætning har forskerne frembragt et væld af nye muligheder for kvanteberegning, kvanteinformation og kvantekryptografi.

"En vej, jeg finder særligt interessant, og som jeg i øjeblikket arbejder på med prof. Parzygnat, er, hvordan en virtuelt udsendt tilstand potentielt kan kode målestatistikken for to tidslignende adskilte målinger i et givet laboratorium," sagde prof. Fullwood.

Dette fænomen tyder på, at den virtuelt udsendte tilstand, som skitseret, ikke kun fanger forventningsværdierne, men også sandsynligheden for fælles målingsresultater.

Dette understøtter fortolkningen af ​​virtuel udsendelse som en spatiotemporal proces, der afspejler strømmen af ​​kvanteinformation over tid, "svarende til hvordan rumtid indkapsler rummets udvikling over tid," tilføjede prof. Fullwood.

Forskerne påpeger også, at virtuel udsendelse afslører den skjulte struktur bag mange kvanteinformationsteknologier. Prof. Chiribella forklarer dette med et eksempel i forbindelse med kvantekommunikation:"En naturlig måde for en aflurer at benytte sig af en kvantekommunikationskanal på er at forsøge at kopiere kvantetilstande."

"Som det viser sig, er den bedste omtrentlige måde at kopiere kvantetilstanden på at realisere en fysisk tilnærmelse af vores virtuelle udsendelse."

Denne forståelse kan forbedre sikkerhedsforanstaltninger inden for kvantekommunikation ved at tilbyde indsigt i potentielle aflytningteknikker og deres modforanstaltninger.

Forskerne peger på, at vi går ind i et nyt område af kvanteteori, der tidligere blev betragtet som uortodokse eller off-limits, såsom direkte måling af nøjagtighed i kvanteenheder, som tilladt af det virtuelle udsendelseskort.

"Måske kan svarene på mange grundlæggende spørgsmål findes her," konkluderede prof. Buscemi.

Flere oplysninger: Arthur J. Parzygnat et al., Virtual Quantum Broadcasting, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.110203. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.13049

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network