Kvantestyring - et mærkeligt, ikke-lokalt fænomen, der ligner kvantesammenfiltring - kan ikke replikeres perfekt ved nogen fælles operation mellem det system, der styres, og et eksternt system. Denne nye "ikke-kloning"-sætning er resultatet af arbejde udført af forskere i Kina, som studerede den situation, der opstår, når en af to parter, der deler en kvantetilstand, ikke stoler på kilden til kvantepartikler, der bruges til at skabe denne tilstand. Ud over at være vigtig for grundlæggende fysik, kan opdagelsen have implikationer for kvantekryptografi og kvantecomputere.
Konventionelle computere gemmer information som "bits", der har en værdi på enten 1 eller 0. Kvantecomputere lagrer derimod information i to-niveau kvantesystemer såsom de vandrette og lodrette polariseringstilstande af fotoner eller "spin up" og " spin down” elektronernes tilstande. Tilstandene for disse kvantebits eller qubits er ikke begrænset til 0 og 1; de kan også eksistere i en mellemkombination kendt som en superposition. Imidlertid kan den fuldstændige tilstand af et kvantesystem aldrig kendes fuldt ud, hvilket betyder, at perfekt duplikering af qubits er forbudt. Dette er den såkaldte "no-cloning"-sætning, og den danner grundlaget for kvantekryptografi.
Et andet vigtigt princip er, at to eller flere qubits kan blive viklet ind, hvilket betyder, at de har et meget tættere forhold, end det er tilladt af klassisk fysik. Når to qubits er viklet ind, fortæller måling af tilstanden af en af dem automatisk tilstanden af den anden, uanset hvor langt fra hinanden de måtte være. For eksempel, hvis du kender den ene partikels spin, kan du bestemme den andens.
Albert Einstein fandt dette aspekt af sammenfiltring foruroligende, da det indebar, at sammenfiltrede partikler kunne påvirke hinandens tilstand på en ikke-lokal måde - noget han kaldte "uhyggelig handling på afstand". I et papir udgivet i 1935 argumenterede han og hans kolleger Boris Podolsky og Nathan Rosen imod denne form for ikke-lokalitet, og det blev kendt som EPR-paradokset efter deres initialer. Senere forskning viste dog, at deres argument er forkert: den 2022 Nobelprisen i fysik gik til en trio af eksperimentalister, som på baggrund af arbejde af den afdøde teoretiker John Stewart Bell demonstrerede, at sammenfiltring (og dermed ikke-lokalitet) faktisk er en del af vores fysiske verden.
Princippet om at styre ingen kloning
Kvantesammenfiltring er dog ikke den eneste form for ikke-lokalitet i kvanteteorien. En anden type, kendt som kvantestyring, blev først introduceret af Erwin Schrödinger som en generalisering af EPR-paradokset. I kvantesammenfiltring stoler de to parter, der er involveret i en kvantetransaktion (traditionelt kendt som Alice og Bob), begge til kilden til kvantepartikler, der bruges til at generere deres respektive tilstande. Kvantestyring introducerer en asymmetri til denne opsætning: nu er kun én kilde (f.eks. Alice) troværdig. Dette gør det muligt for Alice at "styre" tilstanden af partiklerne observeret af Bob, hvilket betyder, at målinger hun foretager på sin halvdel af det sammenfiltrede partikelpar påvirker tilstanden af Bobs halvdel på en måde, der ikke kan forklares klassisk.
"Steering no-cloning-princippet", der er demonstreret i det nye arbejde, bidrager til vores forståelse af denne form for ikke-lokalitet. "Den oprindelige ikke-kloningssætning siger, at ingen fysisk operation perfekt kan kopiere en ukendt kvantetilstand," forklarer Fu-Lin Zhang, der ledede et team af forskere ved Institut for Fysik ved Tianjin Universitet og Chern Institute of Mathematics ved Nankai University. "Vores fund indikerer, at kvantestyringen i en kendt tilstand ikke kan kopieres perfekt, hvis tilstanden er 'for kvante'."
Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger vinder 2022 Nobelprisen i fysik
Forskerne fandt også ud af, at en nært beslægtet type kvantekorrelation kaldet EPR-styring delvist kan klones. EPR-styring findes i stater, der kan bruges til overbevisende at demonstrere kvantestyring, selvom observatøren af de styrede tilstande ikke har tillid til måleren. Det kan derfor betragtes som en "stærkere" kvanteegenskab end kvantestyring, forklarer Zhang. "I kvanteinformationsopgaver mellem Alice og Bob angrebet af en tredjepart, 'Charlie', ved hjælp af en kloningsmaskine, sætter vores resultat tærskler for EPJ-styringen mellem Alice og Bob for at udelukke EPJ-styring mellem Alice og Charlie," fortæller han. Fysik verden.
"No-kloning af kvantestyring er en konsekvens af kvantesuperposition, ligesom de originale no-cloning og no-go teoremer," tilføjer han, "og vores bevis er baseret på den såkaldte no-broadcasting-sætning, som er et udvidet ikke-kloningssystem af 'blandede' tilstande (i sammensatte systemer).
Forskerne undersøger nu, hvordan grader af "kvantehed" påvirker andre no-go teoremer. "Vi studerer protokoller for deling af ikke-lokalitet og andre typer kvanteinformation blandt flere observatører inden for rammerne af kvantekloning," afslører Zhang. "Sådan et emne om at dele ikke-lokalitet og information er grundlæggende i kvanteinformationsvidenskab."
Arbejdet er detaljeret i Kinesiske fysik bogstaver.
