Η κβαντική διεύθυνση - ένα παράξενο, μη τοπικό φαινόμενο παρόμοιο με την κβαντική εμπλοκή - δεν μπορεί να αναπαραχθεί τέλεια με οποιαδήποτε κοινή λειτουργία μεταξύ του συστήματος που διευθύνεται και ενός εξωτερικού συστήματος. Αυτό το νέο θεώρημα «μη-κλωνοποίησης» είναι το αποτέλεσμα της εργασίας ερευνητών στην Κίνα που μελέτησαν την κατάσταση που προκύπτει όταν ένα από τα δύο μέρη που μοιράζονται μια κβαντική κατάσταση δεν εμπιστεύεται την πηγή των κβαντικών σωματιδίων που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αυτής της κατάστασης. Εκτός από το ότι είναι σημαντικό για τη θεμελιώδη φυσική, το εύρημα θα μπορούσε να έχει συνέπειες για την κβαντική κρυπτογραφία και τους κβαντικούς υπολογιστές.
Οι συμβατικοί υπολογιστές αποθηκεύουν πληροφορίες ως «bits» που έχουν τιμή είτε 1 είτε 0. Οι κβαντικοί υπολογιστές, αντίθετα, αποθηκεύουν πληροφορίες σε κβαντικά συστήματα δύο επιπέδων, όπως οι καταστάσεις οριζόντιας και κατακόρυφης πόλωσης των φωτονίων ή το «spin up» και « spin down» καταστάσεις ηλεκτρονίων. Οι καταστάσεις αυτών των κβαντικών bit, ή qubits, δεν περιορίζονται στο 0 και το 1. μπορούν επίσης να υπάρχουν σε έναν ενδιάμεσο συνδυασμό γνωστό ως υπέρθεση. Ωστόσο, η πλήρης κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος δεν μπορεί ποτέ να είναι πλήρως γνωστή, πράγμα που σημαίνει ότι απαγορεύεται η τέλεια αντιγραφή των qubits. Αυτό είναι το λεγόμενο θεώρημα «μη-κλωνοποίησης» και αποτελεί τη βάση της κβαντικής κρυπτογραφίας.
Μια άλλη σημαντική αρχή είναι ότι δύο ή περισσότερα qubits μπορούν να μπερδευτούν, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν μια πολύ στενότερη σχέση από ό,τι επιτρέπεται από την κλασική φυσική. Όταν μπλέκονται δύο qubit, η μέτρηση της κατάστασης ενός από αυτά σας ενημερώνει αυτόματα για την κατάσταση του δεύτερου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά μπορεί να είναι μεταξύ τους. Για παράδειγμα, αν γνωρίζετε το σπιν ενός σωματιδίου, μπορείτε να προσδιορίσετε αυτό του άλλου.
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν βρήκε αυτή την πτυχή της εμπλοκής ανησυχητική, καθώς υπονοούσε ότι τα μπερδεμένα σωματίδια θα μπορούσαν να επηρεάσουν το ένα την κατάσταση του άλλου με μη τοπικό τρόπο – κάτι που ονόμασε «απόκοσμη δράση από απόσταση». Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε το 1935, αυτός και οι συνάδελφοί του Μπόρις Ποντόλσκι και Νέιθαν Ρόζεν υποστήριξαν εναντίον αυτής της μορφής μη τοπικότητας και έγινε γνωστό ως το παράδοξο EPR από τα αρχικά τους. Μεταγενέστερη έρευνα, ωστόσο, έδειξε ότι το επιχείρημά τους είναι εσφαλμένο: το 2022 Βραβείο Νόμπελ Φυσικής πήγε σε μια τριάδα πειραματιστών που, βασιζόμενοι στο έργο του αείμνηστου θεωρητικού John Stewart Bell, απέδειξαν ότι η εμπλοκή (και επομένως η μη τοπικότητα) είναι πράγματι μέρος του φυσικού μας κόσμου.
Η «αρχή της μη κλωνοποίησης του συστήματος διεύθυνσης»
Ωστόσο, η κβαντική εμπλοκή δεν είναι η μόνη μορφή μη τοπικότητας στην κβαντική θεωρία. Ένας άλλος τύπος, γνωστός ως κβαντική διεύθυνση, εισήχθη για πρώτη φορά από τον Erwin Schrödinger ως γενίκευση του παραδόξου EPR. Στην κβαντική εμπλοκή, τα δύο μέρη που εμπλέκονται σε μια κβαντική συναλλαγή (γνωστή παραδοσιακά ως Αλίκη και Μπομπ), εμπιστεύονται και τα δύο την πηγή των κβαντικών σωματιδίων που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία των αντίστοιχων καταστάσεων τους. Το κβαντικό σύστημα διεύθυνσης εισάγει μια ασυμμετρία σε αυτό το set-up: τώρα μόνο μία πηγή (για παράδειγμα της Alice) είναι αξιόπιστη. Αυτό επιτρέπει στην Αλίκη να «κατευθύνει» την κατάσταση των σωματιδίων που παρατηρεί ο Μπομπ, πράγμα που σημαίνει ότι οι μετρήσεις που κάνει στο μισό της ζεύγος μπερδεμένων σωματιδίων επηρεάζουν την κατάσταση του μισού του Μπομπ με τρόπο που δεν μπορεί να εξηγηθεί κλασικά.
Η «αρχή της μη κλωνοποίησης του συστήματος διεύθυνσης» που καταδεικνύεται στη νέα εργασία προσθέτει στην κατανόησή μας αυτής της μορφής μη τοπικότητας. "Το αρχικό θεώρημα μη κλωνοποίησης δηλώνει ότι καμία φυσική λειτουργία δεν μπορεί να αντιγράψει τέλεια μια άγνωστη κβαντική κατάσταση", εξηγεί Φου-Λιν Ζανγκ, ο οποίος ηγήθηκε μιας ομάδας ερευνητών στο Τμήμα Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Tianjin και την Ινστιτούτο Μαθηματικών Chern στο Πανεπιστήμιο Nankai. "Το εύρημα μας δείχνει ότι η κβαντική διεύθυνση σε μια γνωστή κατάσταση δεν μπορεί να αντιγραφεί τέλεια εάν η κατάσταση είναι "πολύ κβαντική".
Οι Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger κερδίζουν το Νόμπελ Φυσικής 2022
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι ένας στενά συνδεδεμένος τύπος κβαντικής συσχέτισης που ονομάζεται διεύθυνση EPR μπορεί να κλωνοποιηθεί μερικώς. Το σύστημα διεύθυνσης EPR υπάρχει σε καταστάσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποδειχθεί πειστικά η κβαντική διεύθυνση ακόμα κι αν ο παρατηρητής των καθοδηγούμενων καταστάσεων δεν εμπιστεύεται τον μετρητή. Μπορεί επομένως να θεωρηθεί ως μια «ισχυρότερη» κβαντική ιδιότητα από την κβαντική διεύθυνση, εξηγεί ο Zhang. «Σε εργασίες κβαντικής πληροφόρησης μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ που δέχεται επίθεση από έναν τρίτο, τον «Τσάρλι», χρησιμοποιώντας μια μηχανή κλωνοποίησης, το αποτέλεσμά μας θέτει όρια στο τιμόνι EPR μεταξύ της Αλίκης και του Μπομπ για να αποκλείσει το τιμόνι EPR μεταξύ της Αλίκης και του Τσάρλι», λέει. Κόσμος Φυσικής.
«Η μη κλωνοποίηση της κβαντικής διεύθυνσης είναι συνέπεια της κβαντικής υπέρθεσης, όπως και τα αρχικά θεωρήματα μη κλωνοποίησης και απαγόρευσης κυκλοφορίας», προσθέτει, «και η απόδειξή μας βασίζεται στο λεγόμενο θεώρημα μη εκπομπής, το οποίο είναι ένα εκτεταμένο σύστημα μη-κλωνοποίησης «μεικτών» καταστάσεων (σε σύνθετα συστήματα).
Οι ερευνητές εξετάζουν τώρα πώς οι βαθμοί «κβαντισμού» επηρεάζουν άλλα θεωρήματα απαγόρευσης. «Μελετούμε πρωτόκολλα κοινής χρήσης μη τοπικότητας και άλλων τύπων κβαντικών πληροφοριών μεταξύ πολλών παρατηρητών στο πλαίσιο της κβαντικής κλωνοποίησης», αποκαλύπτει ο Zhang. "Ένα τέτοιο θέμα κοινής χρήσης μη τοπικότητας και πληροφοριών είναι θεμελιώδες στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας."
Η εργασία περιγράφεται αναλυτικά στο Κινεζικά γράμματα φυσικής.
