شبیه سازی فرمان کوانتومی ممنوع است

فرمان کوانتومی - یک پدیده عجیب و غیرمحلی شبیه درهم تنیدگی کوانتومی - نمی‌تواند به طور کامل با هیچ عملیات مشترک بین سیستم هدایت‌شده و یک سیستم خارجی تکرار شود. این قضیه جدید «بدون شبیه‌سازی» نتیجه کار محققانی در چین است که وضعیتی را بررسی کردند که وقتی یکی از دو طرفی که حالت کوانتومی مشترک دارند به منبع ذرات کوانتومی که برای ایجاد آن حالت استفاده می‌شوند اعتماد ندارند، به وجود می‌آید. این یافته علاوه بر اینکه برای فیزیک بنیادی مهم است، می‌تواند پیامدهایی برای رمزنگاری کوانتومی و محاسبات کوانتومی نیز داشته باشد.

رایانه‌های معمولی اطلاعات را به‌عنوان «بیت‌ها» ذخیره می‌کنند که دارای ارزش 1 یا 0 هستند. رایانه‌های کوانتومی، در مقابل، اطلاعات را در سیستم‌های کوانتومی دو سطحی مانند حالت‌های قطبش افقی و عمودی فوتون‌ها یا «چرخش به بالا» و «ذخیره می‌کنند. spin down” حالات الکترون ها. حالات این بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها به 0 و 1 محدود نمی شود. آنها همچنین می توانند در یک ترکیب میانی به نام برهم نهی وجود داشته باشند. با این حال، وضعیت کامل یک سیستم کوانتومی هرگز نمی تواند به طور کامل شناخته شود، به این معنی که تکرار کامل کیوبیت ها ممنوع است. این قضیه به اصطلاح «بدون شبیه‌سازی» است و اساس رمزنگاری کوانتومی را تشکیل می‌دهد.

اصل مهم دیگر این است که دو یا چند کیوبیت می توانند درهم تنیده شوند، به این معنی که آنها رابطه نزدیک تری نسبت به آنچه فیزیک کلاسیک مجاز می داند، دارند. هنگامی که دو کیوبیت در هم تنیده می شوند، اندازه گیری وضعیت یکی از آنها به طور خودکار وضعیت دومی را به شما می گوید، مهم نیست که چقدر از هم دور باشند. به عنوان مثال، اگر شما چرخش یک ذره را بدانید، می توانید چرخش ذره دیگر را تعیین کنید.

آلبرت انیشتین این جنبه از درهم تنیدگی را ناراحت‌کننده می‌دانست، زیرا به این معناست که ذرات درهم‌تنیده می‌توانند وضعیت یکدیگر را به شیوه‌ای غیرمحلی تحت تأثیر قرار دهند - چیزی که او آن را «عمل شبح‌آمیز از راه دور» نامید. در مقاله ای که در سال 1935 منتشر شد، او و همکارانش بوریس پودولسکی و ناتان روزن علیه این شکل از غیرمحلی بودن بحث کردند و پس از حروف اول آنها به پارادوکس EPR معروف شد. اما تحقیقات بعدی نشان داد که استدلال آنها نادرست است: جایزه نوبل فیزیک 2022 به سراغ سه نفر از تجربی گرایان رفت که با تکیه بر کار نظریه پرداز فقید جان استوارت بل، نشان دادند که درهم تنیدگی (و بنابراین غیرمحلی بودن) در واقع بخشی از دنیای فیزیکی ماست.

"اصل عدم شبیه سازی فرمان"

گرچه درهم تنیدگی کوانتومی تنها شکل غیرمحلی بودن در نظریه کوانتومی نیست. نوع دیگری که به عنوان فرمان کوانتومی شناخته می شود، برای اولین بار توسط اروین شرودینگر به عنوان تعمیم پارادوکس EPR معرفی شد. در درهم تنیدگی کوانتومی، دو طرف درگیر در یک تراکنش کوانتومی (که به طور سنتی به نام آلیس و باب شناخته می شود)، هر دو به منبع ذرات کوانتومی مورد استفاده برای ایجاد حالت های مربوطه خود اعتماد دارند. فرمان کوانتومی یک عدم تقارن را در این تنظیم ایجاد می کند: اکنون فقط یک منبع (مثلاً آلیس) قابل اعتماد است. این امر آلیس را قادر می‌سازد تا وضعیت ذرات مشاهده شده توسط باب را هدایت کند، به این معنی که اندازه‌گیری‌هایی که او روی نیمی از جفت ذره درهم تنیده خود انجام می‌دهد، وضعیت نیمه باب را به گونه‌ای تحت تأثیر قرار می‌دهد که نمی‌توان آن را به صورت کلاسیک توضیح داد.

"اصل عدم شبیه سازی هدایت" که در کار جدید نشان داده شده است به درک ما از این شکل از غیرمحلی بودن می افزاید. توضیح می‌دهد: «قضیه اصلی بدون شبیه‌سازی بیان می‌کند که هیچ عملیات فیزیکی نمی‌تواند به طور کامل یک حالت کوانتومی ناشناخته را کپی کند.» فو-لین ژانگ، که رهبری تیمی از محققان در گروه فیزیک دانشگاه تیانجین و موسسه ریاضیات چرن در دانشگاه نانکای. «یافته‌های ما نشان می‌دهد که اگر حالت «بیش از حد کوانتومی» باشد، نمی‌توان هدایت کوانتومی را در یک حالت شناخته‌شده به طور کامل کپی کرد.»

محققان همچنین دریافتند که یک نوع ارتباط نزدیک کوانتومی به نام هدایت EPR می تواند تا حدی شبیه سازی شود. فرمان EPR در حالت‌هایی وجود دارد که می‌توان از آن برای نشان دادن قانع‌کننده فرمان کوانتومی استفاده کرد، حتی اگر ناظر حالت‌های هدایت‌شده به اندازه‌گیر اعتماد نداشته باشد. ژانگ توضیح می دهد که بنابراین می توان آن را به عنوان یک ویژگی کوانتومی قوی تر از فرمان کوانتومی در نظر گرفت. او می‌گوید: «در وظایف اطلاعات کوانتومی بین آلیس و باب که توسط شخص ثالث، «چارلی» با استفاده از دستگاه شبیه‌سازی مورد حمله قرار می‌گیرد، نتیجه ما آستانه‌هایی را روی فرمان EPR بین آلیس و باب تعیین می‌کند تا هدایت EPR بین آلیس و چارلی را حذف کند. دنیای فیزیک.

او می‌افزاید: «بی‌شبیه‌سازی هدایت کوانتومی نتیجه برهم‌نهی کوانتومی است، همانطور که قضایای اصلی بی‌شبیه‌سازی و غیرقابل‌رفتن است، و اثبات ما بر اساس قضیه به‌اصطلاح عدم پخش است. یک سیستم توسعه یافته بدون شبیه سازی از حالت های "مخلوط" (در سیستم های ترکیبی).

محققان اکنون در حال بررسی چگونگی تأثیر درجات «کوانتومی» بر دیگر قضایای ممنوعه هستند. ژانگ فاش می‌کند: «ما در حال مطالعه پروتکل‌های به اشتراک‌گذاری غیرمحلی و انواع دیگر اطلاعات کوانتومی بین ناظران متعدد در چارچوب شبیه‌سازی کوانتومی هستیم». «چنین موضوعی برای اشتراک‌گذاری غیرمحلی و اطلاعات در علم اطلاعات کوانتومی اساسی است.»

کار به تفصیل در حروف فیزیک چینی.