Quantensteuerung – ein seltsames, nicht-lokales Phänomen ähnlich der Quantenverschränkung – kann durch keine gemeinsame Operation zwischen dem gesteuerten System und einem externen System perfekt nachgebildet werden. Dieses neue „No-Cloning“-Theorem ist das Ergebnis der Arbeit von Forschern in China, die die Situation untersucht haben, die entsteht, wenn eine von zwei Parteien, die sich einen Quantenzustand teilen, der Quelle der Quantenteilchen, die zur Erzeugung dieses Zustands verwendet werden, nicht vertraut. Der Befund ist nicht nur wichtig für die Grundlagenphysik, sondern könnte auch Auswirkungen auf die Quantenkryptographie und das Quantencomputing haben.
Herkömmliche Computer speichern Informationen als „Bits“, die entweder den Wert 1 oder 0 haben. Quantencomputer hingegen speichern Informationen in zweistufigen Quantensystemen wie den horizontalen und vertikalen Polarisationszuständen von Photonen oder den „Spin-up“- und „Bits“. Spin-Down-Zustände von Elektronen. Die Zustände dieser Quantenbits oder Qubits sind nicht auf 0 und 1 beschränkt; Sie können auch in einer Zwischenkombination vorliegen, die als Superposition bezeichnet wird. Der vollständige Zustand eines Quantensystems kann jedoch nie vollständig bekannt sein, was bedeutet, dass eine perfekte Vervielfältigung von Qubits verboten ist. Dies ist das sogenannte „No-Cloning“-Theorem und bildet die Grundlage der Quantenkryptographie.
Ein weiteres wichtiges Prinzip ist, dass zwei oder mehr Qubits miteinander verschränkt werden können, was bedeutet, dass sie eine viel engere Beziehung zueinander haben, als es die klassische Physik zulässt. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, verrät Ihnen die Messung des Zustands eines von ihnen automatisch den Zustand des zweiten, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Wenn Sie beispielsweise den Spin eines Teilchens kennen, können Sie den Spin des anderen bestimmen.
Albert Einstein fand diesen Aspekt der Verschränkung beunruhigend, da er implizierte, dass verschränkte Teilchen den Zustand des anderen auf nicht-lokale Weise beeinflussen könnten – etwas, das er „spukhafte Fernwirkung“ nannte. In einem 1935 veröffentlichten Artikel argumentierten er und seine Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen gegen diese Form der Nichtlokalität, die nach ihren Initialen als EPR-Paradoxon bekannt wurde. Spätere Untersuchungen zeigten jedoch, dass ihre Argumentation falsch ist: die 2022 Nobelpreis für Physik ging an ein Trio von Experimentatoren, die aufbauend auf Arbeiten des verstorbenen Theoretikers John Stewart Bell zeigten, dass Verschränkung (und damit Nichtlokalität) tatsächlich Teil unserer physischen Welt ist.
Das „lenkende No-Cloning-Prinzip“
Allerdings ist die Quantenverschränkung nicht die einzige Form der Nichtlokalität in der Quantentheorie. Eine andere Art, bekannt als Quantenlenkung, wurde erstmals von Erwin Schrödinger als Verallgemeinerung des EPR-Paradoxons eingeführt. Bei der Quantenverschränkung vertrauen die beiden an einer Quantentransaktion beteiligten Parteien (traditionell als Alice und Bob bekannt) beide auf die Quelle der Quantenteilchen, die zur Erzeugung ihrer jeweiligen Zustände verwendet werden. Die Quantensteuerung führt zu einer Asymmetrie in diesem Aufbau: Jetzt ist nur noch eine Quelle (zum Beispiel die von Alice) vertrauenswürdig. Dadurch kann Alice den Zustand der von Bob beobachteten Teilchen „steuern“, was bedeutet, dass Messungen, die sie an ihrer Hälfte des verschränkten Teilchenpaars vornimmt, den Zustand von Bobs Hälfte auf eine Weise beeinflussen, die klassisch nicht erklärt werden kann.
Das in der neuen Arbeit demonstrierte „steuernde No-Cloning-Prinzip“ trägt zu unserem Verständnis dieser Form der Nichtlokalität bei. „Das ursprüngliche No-Cloning-Theorem besagt, dass keine physikalische Operation einen unbekannten Quantenzustand perfekt kopieren kann“, erklärt Fu-Lin Zhang, der ein Forscherteam am leitete Fachbereich Physik der Tianjin-Universität und für Chern Institute of Mathematics an der Nankai University. „Unsere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Quantensteuerung in einem bekannten Zustand nicht perfekt kopiert werden kann, wenn der Zustand ‚zu quantenhaft‘ ist.“
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Die Forscher fanden auch heraus, dass eine eng verwandte Art der Quantenkorrelation namens EPR-Steuerung teilweise geklont werden kann. Die EPR-Steuerung existiert in Zuständen, die zur überzeugenden Demonstration der Quantensteuerung verwendet werden können, auch wenn der Beobachter der gesteuerten Zustände dem Messer nicht vertraut. Sie kann daher als eine „stärkere“ Quanteneigenschaft angesehen werden als die Quantenlenkung, erklärt Zhang. „Bei Quanteninformationsaufgaben zwischen Alice und Bob, die von einem Dritten, ‚Charlie‘, mithilfe einer Klonmaschine angegriffen werden, legt unser Ergebnis Schwellenwerte für die EPR-Steuerung zwischen Alice und Bob fest, um die EPR-Steuerung zwischen Alice und Charlie auszuschließen“, erzählt er Physik-Welt.
„Das No-Cloning der Quantensteuerung ist eine Folge der Quantenüberlagerung, ebenso wie die ursprünglichen No-Cloning- und No-Go-Theoreme“, fügt er hinzu, „und unser Beweis basiert auf dem sogenannten No-Broadcasting-Theorem, nämlich ein erweitertes No-Cloning-System von „gemischten“ Zuständen (in zusammengesetzten Systemen).“
Die Forscher untersuchen nun, wie sich Quantengrade auf andere No-Go-Theoreme auswirken. „Wir untersuchen Protokolle zum Austausch von Nichtlokalität und anderen Arten von Quanteninformationen zwischen mehreren Beobachtern im Rahmen des Quantenklonens“, verrät Zhang. „Ein solches Thema des Austauschs von Nichtlokalität und Informationen ist in der Quanteninformationswissenschaft von grundlegender Bedeutung.“
Die Arbeit ist detailliert in Chinesische Physikbriefe.
