Kvantjuhtimine – kummaline, mittelokaalne nähtus, mis sarnaneb kvantpõimumisega – ei saa täiuslikult korrata juhitava süsteemi ja välise süsteemi vahelise ühistoiminguga. See uus "kloonimise keelamise" teoreem on Hiina teadlaste töö tulemus, kes uurisid olukorda, mis tekib siis, kui üks kahest kvantseisundit jagavast osapoolest ei usalda selle oleku loomiseks kasutatavate kvantosakeste allikat. Lisaks sellele, et leid on oluline fundamentaalfüüsika jaoks, võib see avaldada mõju kvantkrüptograafiale ja kvantarvutitele.
Tavalised arvutid salvestavad teavet "bittidena", mille väärtus on kas 1 või 0. Kvantarvutid seevastu salvestavad teavet kahetasandilistes kvantsüsteemides, näiteks footonite horisontaal- ja vertikaalpolarisatsiooni olekud või "pöörlemine" ja " spin down” elektronide olekud. Nende kvantbittide ehk kubittide olekud ei ole piiratud 0 ja 1-ga; nad võivad eksisteerida ka vahepealses kombinatsioonis, mida nimetatakse superpositsiooniks. Kuid kvantsüsteemi täielikku olekut ei saa kunagi täielikult teada, mis tähendab, et kubittide täiuslik dubleerimine on keelatud. See on niinimetatud "no-kloonimise" teoreem ja see on kvantkrüptograafia aluseks.
Teine oluline põhimõte on see, et kaks või enam kubitti võivad takerduda, mis tähendab, et neil on palju tihedam seos, kui seda lubab klassikaline füüsika. Kui kaks kubitti on takerdunud, annab neist ühe oleku mõõtmine automaatselt teada teise oleku, olenemata sellest, kui kaugel need üksteisest asuvad. Näiteks kui teate ühe osakese spinni, saate määrata teise osakese spinni.
Albert Einstein leidis, et see takerdumise aspekt tekitab rahutust, kuna see viitas sellele, et takerdunud osakesed võivad mõjutada üksteise olekut mittelokaalselt – midagi, mida ta nimetas "õudseks tegevuseks eemalt". 1935. aastal avaldatud artiklis vaidlesid ta koos kolleegidega Boris Podolsky ja Nathan Roseniga sellise mittelokaalsuse vormi vastu ning see sai nende initsiaalide järgi tuntuks kui EPR paradoksiks. Hilisemad uuringud näitasid aga, et nende argument on vale: 2022. aasta Nobeli füüsikaauhind läks eksperimentalistide triole, kes, tuginedes varalahkunud teoreetiku John Stewart Belli tööle, näitasid, et takerdumine (ja seega mittelokaalsus) on tõepoolest osa meie füüsilisest maailmast.
Juhtiv mittekloonimise põhimõte
Kvantpõimumine pole aga kvantteoorias ainus mittelokaalsuse vorm. Teist tüüpi, tuntud kui kvantjuhtimine, tutvustas Erwin Schrödinger esmakordselt EPR paradoksi üldistusena. Kvantpõimumise korral usaldavad kaks kvanttehingu osapoolt (tavaliselt tuntud kui Alice ja Bob) mõlemad nende vastavate olekute genereerimiseks kasutatavate kvantosakeste allikat. Kvantjuhtimine toob sellesse seadistusse sisse asümmeetria: nüüd on ainult üks allikas (näiteks Alice'i oma) usaldusväärne. See võimaldab Alice'il Bobi vaadeldud osakeste olekut "juhtida", mis tähendab, et mõõtmised, mida ta teeb oma poolel takerdunud osakeste paarist, mõjutavad Bobi poole olekut viisil, mida ei saa klassikaliselt seletada.
Uues töös demonstreeritud "juhitav mittekloonimise põhimõte" täiendab meie arusaama sellest mittelokaalsuse vormist. "Algne kloonimise keelamise teoreem väidab, et ükski füüsiline operatsioon ei suuda täiuslikult kopeerida tundmatut kvantolekut," selgitab Fu-Lin Zhang, kes juhtis teadlaste meeskonda Tianjini ülikooli füüsika osakond ja Nankai ülikooli Cherni matemaatikainstituut. "Meie leid näitab, et teadaolevas olekus kvantjuhtimist ei saa täiuslikult kopeerida, kui olek on liiga kvant."
2022. aasta Nobeli füüsikaauhinna pälvisid Alain Aspect, John Clauser ja Anton Zeilinger
Teadlased leidsid ka, et lähedalt seotud kvantkorrelatsiooni tüüpi, mida nimetatakse EPR-juhtimiseks, saab osaliselt kloonida. EPR-juhtimine eksisteerib olekutes, mille abil saab veenvalt demonstreerida kvantjuhtimist ka siis, kui juhitavate olekute vaatleja mõõtjat ei usalda. Seetõttu võib seda pidada "tugevamaks" kvantomaduseks kui kvantjuhtimine, selgitab Zhang. "Alice'i ja Bobi vahelistes kvantteabeülesannetes, mida ründas kolmas osapool Charlie, kasutades kloonimismasinat, seab meie tulemus EPR-i juhtimise läved Alice'i ja Bobi vahel, et välistada EPR-i juhtimine Alice'i ja Charlie vahel," räägib ta. Füüsika maailm.
"Kvantjuhtimise mittekloonimine on kvantsuperpositsiooni tagajärg, nagu ka algsed kloonimise keelamise ja keelu teoreemid," lisab ta, "ja meie tõestus põhineb nn levitavuse teoreemil, mis on laiendatud mittekloonimissüsteem, mis koosneb segaolekutest (komposiitsüsteemides).
Teadlased uurivad nüüd, kuidas "kvantsuse" astmed mõjutavad teisi keelu teoreeme. „Uurime mittelokaalsuse ja muud tüüpi kvantteabe jagamise protokolle mitme vaatleja vahel kvantkloonimise raames,” paljastab Zhang. "Selline mittelokaalsuse ja teabe jagamise teema on kvantteabeteaduses põhiline."
Töö on üksikasjalikult kirjeldatud Hiina füüsika kirjad.
