زمینه در سیستم های مرکب: نقش درهم تنیدگی در قضیه کوچن-اسپکر

زمینه در سیستم های مرکب: نقش درهم تنیدگی در قضیه کوچن-اسپکر

ویکتوریا جی رایت1 و راوی کنجوال2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques، موسسه علم و فناوری بارسلون، 08860 Castelldefels، اسپانیا
2مرکز اطلاعات و ارتباطات کوانتومی، Ecole polytechnique de Bruxelles، CP 165، Université libre de Bruxelles، 1050 Brussels, Belgium

این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.

چکیده

قضیه کوچن-اسپکر (KS) غیرکلاسیک بودن سیستم های کوانتومی منفرد را نشان می دهد. در مقابل، قضیه بل و درهم تنیدگی مربوط به غیر کلاسیک بودن سیستم های کوانتومی مرکب است. بر این اساس، بر خلاف ناسازگاری، درهم تنیدگی و غیرمحلی بودن بل برای نشان دادن زمینه‌سازی KS ضروری نیست. با این حال، در اینجا متوجه می‌شویم که برای سیستم‌های چند کیوبیتی، درهم‌تنیدگی و غیرمحلی هر دو برای اثبات قضیه کوچن-اسپکر ضروری هستند. اولاً، ما نشان می‌دهیم که اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده (یک ابرمجموعه دقیق اندازه‌گیری‌های محلی) هرگز نمی‌توانند یک اثبات منطقی (مستقل از حالت) برای قضیه KS برای سیستم‌های چند کیوبیتی ارائه دهند. به‌ویژه، اندازه‌گیری‌های غیرمحلی اما غیرمحلی - که حالت‌های ویژه «غیر محلی بودن بدون درهم‌تنیدگی» را نشان می‌دهند - برای چنین اثبات‌هایی کافی نیستند. این همچنین نشان می‌دهد که اثبات قضیه گلیسون بر روی یک سیستم چند کیوبیتی، لزوماً نیازمند پیش‌بینی‌های درهم تنیده است، همانطور که والاک نشان داده است [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. ثانیاً، ما نشان می‌دهیم که یک حالت چند کیوبیتی، اثبات آماری (وابسته به حالت) قضیه KS را می‌پذیرد اگر و تنها در صورتی که بتواند نابرابری بل را با اندازه‌گیری‌های تصویری نقض کند. ما همچنین با ساختن نمونه‌های جدیدی از مجموعه‌های KS، رابطه بین درهم‌تنیدگی و قضایای کوچن-اسپکر و گلیسون را به‌طور کلی‌تر در سیستم‌های multiqudit برقرار می‌کنیم. در نهایت، ما بحث می‌کنیم که چگونه نتایج ما به نقش زمینه‌ای چند کیوبیتی به عنوان منبعی در پارادایم محاسبات کوانتومی با تزریق حالت، نور جدیدی می‌افکند.

[محتوای جاسازی شده]

سیستم‌های فیزیکی بسیار کوچک، مانند فوتون‌های نور، به گونه‌ای رفتار می‌کنند که با نظریه‌های دانشمندان فیزیک قبل از ظهور نظریه کوانتومی در تضاد است. نظریه کوانتومی برای توصیف این سیستم های بسیار کوچک توسعه یافته است و این کار را با موفقیت انجام می دهد. به طور کلی، نظریه‌های پیش از نظریه کوانتومی که اغلب نظریه‌های کلاسیک نامیده می‌شوند، همگی غیر متنی هستند. اگر بتوان فرض کرد که هر ویژگی قابل مشاهده یک سیستم، مانند موقعیت آن، در همه زمان‌ها دارای یک مقدار معین باشد، به گونه‌ای که هر زمان و به هر نحوی که این ویژگی اندازه‌گیری شد، این مقدار را پیدا کرد، یک نظریه غیر متنی است. قضیه کوچن-اسپکر نشان می‌دهد که چگونه پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی را نمی‌توان به روشی غیرمتنقی توضیح داد.

تئوری کوانتومی تفاوت‌های عمده دیگری نیز با نظریه‌های کلاسیک دارد که دو نمونه بارز آن‌ها غیرمحلی بودن بل و درهم تنیدگی است. برخلاف زمینه کوچن-اسپکر که در بالا توضیح داده شد که شامل یک سیستم کوانتومی منفرد است، غیرمحلی بودن بل و درهم تنیدگی خصوصیاتی هستند که فقط زمانی وجود دارند که چندین سیستم کوانتومی را با هم مطالعه کنیم. با این حال، در این کار، نشان می‌دهیم که برای سیستم‌های چند کیوبیتی (مانند یک کامپیوتر کوانتومی) هم غیرمحلی بودن بل و هم درهم‌تنیدگی برای حضور زمینه‌ای کوچن-اسپکر ضروری هستند.

علاوه بر ارتباط با مبانی فیزیک، در مورد اینکه چگونه یافته های ما ممکن است منجر به درک بهتر مزیت کوانتومی در محاسبات کوانتومی شود، بحث می کنیم. مزیت کوانتومی باید از تفاوت‌های بین فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک که به ترتیب کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک را توصیف می‌کنند، ناشی شود. بنابراین، درک غیرکلاسیک بودن سیستم‌های چند کیوبیتی که مطالعه می‌کنیم، مسیری را ارائه می‌دهد که از قدرت مزیت کوانتومی استفاده می‌کند.

► داده های BibTeX

◄ مراجع

[1] اروین شرودینگر. بحث روابط احتمال بین سیستم های جدا شده. در مجموعه مقالات ریاضی انجمن فلسفی کمبریج، جلد 31، صفحات 555-563. انتشارات دانشگاه کمبریج، 1935. doi:10.1017/​S0305004100013554.
https://doi.org/​10.1017/​S0305004100013554

[2] نوح لیندن و ساندو پوپسکو. دینامیک خوب در مقابل سینماتیک بد: آیا درهم تنیدگی برای محاسبات کوانتومی لازم است؟ فیزیک Rev. Lett., 87:047901, 2001. doi:10.1103/​PhysRevLett.87.047901.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.87.047901

[3] Animesh Datta و Guifre Vidal. نقش درهم تنیدگی و همبستگی در محاسبات کوانتومی حالت مختلط فیزیک Rev. A, 75:042310, 2007. doi:10.1103/​PhysRevA.75.042310.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.75.042310

[4] ویکتور ویچ، کریستوفر فری، دیوید گراس و جوزف امرسون. شبه احتمال منفی به عنوان منبعی برای محاسبات کوانتومی New J. Phys., 14(11):113011, 2012. doi:10.1088/1367-2630/14/11/113011.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​14/​11/​113011

[5] مارک هاوارد، جوئل والمن، ویکتور ویچ و جوزف امرسون. زمینه سازی "جادو" را برای محاسبات کوانتومی فراهم می کند. Nature, 510(7505):351–355, 2014. doi:10.1038/​nature13460.
https://doi.org/​10.1038/​nature13460

[6] کلودیو کارملی، تیکو هاینوساری و الساندرو تویگو. کدهای دسترسی تصادفی کوانتومی و ناسازگاری اندازه گیری ها. EPL (Europhysics Letters)، 130(5):50001، 2020. doi:10.1209/​0295-5075/​130/​50001.
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​130/​50001

[7] توبی اس کوبیت، دبی لیونگ، ویلیام متیوز و آندریاس وینتر. بهبود ارتباط کلاسیک بدون خطا با درهم تنیدگی. فیزیک Rev. Lett., 104:230503, 2010. doi:10.1103/​PhysRevLett.104.230503.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.230503

[8] شیو آکشار یادوالی و راوی کنجوال. زمینه در ارتباط کلاسیک تک شات به کمک درهم تنیدگی. arXiv:2006.00469، 2020. doi:10.48550/​arXiv.2006.00469.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.2006.00469
arXiv: 2006.00469

[9] ماته فارکاس، ماریا بالانزو-جواندو، کارول لوکانوفسکی، یان کولودینسکی و آنتونیو آسین. غیرمحلی بودن زنگ برای امنیت پروتکل های توزیع کلید کوانتومی استاندارد مستقل از دستگاه کافی نیست. فیزیک Rev. Lett., 127:050503, 2021. doi:10.1103/​PhysRevLett.127.050503.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.050503

[10] جان پرسکیل. محاسبات کوانتومی در دوران NISQ و فراتر از آن. Quantum, 2:79, 2018. doi:10.22331/​q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[11] فرانک آروت، کونال آریا، رایان بابوش، دیو بیکن، جوزف سی باردین، رامی بارندز، روپاک بیسواس، سرجیو بویکسو و دیگران. برتری کوانتومی با استفاده از یک پردازنده ابررسانا قابل برنامه ریزی. Nature، 574(7779):505–510، 2019. doi:10.1038/​s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[12] سایمون کوچن و ارنست پی اسپکر. مسئله متغیرهای پنهان در مکانیک کوانتومی جی. ریاضی. Mech., 17(1):59-87, 1967. doi:10.1512/​iumj.1968.17.17004.
https://doi.org/​10.1512/​iumj.1968.17.17004

[13] خوان برمجو-وگا، نیکلاس دلفوس، دن ای براون، سیهان اوکای و رابرت راوسندورف. زمینه به عنوان منبعی برای مدل های محاسبات کوانتومی با کیوبیت فیزیک Rev. Lett., 119:120505, 2017. doi:10.1103/​PhysRevLett.119.120505.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.120505

[14] جان بل. در مورد پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن. Physics, 1 (RX-1376):195–200, 1964. doi:10.1103/​PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
https://doi.org/​10.1103/​PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[15] جان اس بل. در مورد مسئله متغیرهای پنهان در مکانیک کوانتومی. Rev. Mod. Phys., 38:447-452, 1966. doi:10.1103/​RevModPhys.38.447.
https://doi.org/​10.1103/​RevModPhys.38.447

[16] اندرو ام گلیسون. اندازه گیری در زیرفضاهای بسته یک فضای هیلبرت. دانشگاه ایندیانا ریاضی. J, 6:885, 1957. doi:10.1512/​iumj.1957.6.56050.
https://doi.org/​10.1512/​iumj.1957.6.56050

[17] رابرت دبلیو اسپکنز شبه کوانتیشن: نظریه های آماری کلاسیک با محدودیت معرفتی، صفحات 83-135. Springer Netherlands, Dordrecht, 2016. doi:10.1007/​978-94-017-7303-4_4.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-94-017-7303-4_4

[18] راوی کونجوال و رابرت دبلیو اسپکنز. از قضیه کوشن-اسپکر تا نابرابری‌های غیرزمینه‌ای بدون فرض جبر. فیزیک Rev. Lett., 115:110403, 2015. doi:10.1103/​PhysRevLett.115.110403.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.115.110403

[19] راوی کونجوال و رابرت دبلیو اسپکنز. از اثبات‌های آماری قضیه کوچن-اسپکر تا نابرابری‌های غیرمکانی مقاوم در برابر نویز. فیزیک Rev. A, 97:052110, 2018. doi:10.1103/​PhysRevA.97.052110.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.97.052110

[20] الکساندر A Klyachko، M Ali Can، Sinem Binicioğlu، و Alexander S Shumovsky. تست ساده برای متغیرهای پنهان در سیستم های Spin-1. فیزیک Rev. Lett., 101:020403, 2008. doi:10.1103/​PhysRevLett.101.020403.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.020403

[21] رابرت دبلیو اسپکنز زمینه برای آماده سازی، تبدیل، و اندازه گیری های غیر واضح. فیزیک Rev. A, 71:052108, 2005. doi:10.1103/​PhysRevA.71.052108.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.71.052108

[22] راوی کنجوال و سیباسیش قوش. حداقل مدرک وابسته به حالت برای زمینه سازی اندازه گیری برای یک کیوبیت. فیزیک Rev. A, 89:042118, 2014. doi:10.1103/​PhysRevA.89.042118.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.042118

[23] راوی کنجوال. زمینه‌سازی فراتر از قضیه کوچن-اسپکر. arXiv:1612.07250، 2016. doi:10.48550/​arXiv.1612.07250.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.1612.07250
arXiv: 1612.07250

[24] پل بوش. حالات کوانتومی و مشاهده پذیرهای تعمیم یافته: اثبات ساده قضیه گلیسون. فیزیک Rev. Lett., 91:120403, 2003. doi:10.1103/​physrevlett.91.120403.
https://doi.org/​10.1103/​physrevlett.91.120403

[25] Carlton M Caves، Christopher A Fuchs، Kiran K Manne و Joseph M Renes. مشتقات نوع گلیسون از قانون احتمال کوانتومی برای اندازه گیری های تعمیم یافته. پیدا شد. Phys., 34:193-209, 2004. doi:10.1023/​b:foop.0000019581.00318.a5.
https://doi.org/​10.1023/​b:foop.0000019581.00318.a5

[26] ویکتوریا جی رایت و استفان وایگرت. یک قضیه از نوع گلیسون برای کیوبیت ها بر اساس مخلوطی از اندازه گیری های تصویری. J. Phys. A, 52:055301, 2019. doi:10.1088/​1751-8121/​aaf93d.
https://doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaf93d

[27] نولان آر والاک. یک قضیه ی گره خورده گلیسون. Contemp Math، 305:291-298، 2002. doi:10.1090/​conm/​305/​05226.
https://doi.org/​10.1090/​conm/​305/​05226

[28] چارلز اچ بنت، دیوید پی دی وینچنزو، کریستوفر آ فوکس، تال مور، اریک رینز، پیتر دبلیو شور، جان اسمولین و ویلیام کی وترز. غیرمحلی کوانتومی بدون درهم تنیدگی. فیزیک Rev. A, 59:1070–1091, 1999. doi:10.1103/​PhysRevA.59.1070.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.59.1070

[29] دیوید ان مرمین. متغیرهای پنهان و دو قضیه جان بل. Rev. Mod. Phys., 65:803-815, 1993. doi:10.1103/​RevModPhys.65.803.
https://doi.org/​10.1103/​RevModPhys.65.803

[30] آشر پرز. دو اثبات ساده قضیه کوچن-اسپکر. J. Phys. A, 24(4):L175, 1991. doi:10.1088/​0305-4470/​24/​4/​003.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​24/​4/​003

[31] آشر پرز. نتایج ناسازگار اندازه‌گیری‌های کوانتومی فیزیک Lett. A, 151(3-4):107-108, 1990. doi:10.1016/​0375-9601(90)90172-K.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(90)90172-K

[32] آنتونیو آسین، توبیاس فریتز، آنتونی لووریر و آنا بلن ساینز. رویکرد ترکیبی به غیرمحلی و زمینه اشتراک. ریاضی. Phys., 334(2):533-628, 2015. doi:10.1007/​s00220-014-2260-1.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2260-1

[33] راوی کنجوال. فراتر از چارچوب Cabello-Severini-Winter: ایجاد حس زمینه سازی بدون وضوح اندازه گیری ها. Quantum, 3:184, 2019. doi:10.22331/​q-2019-09-09-184.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-09-184

[34] راوی کنجوال. چارچوب هایپرگراف برای نابرابری‌های غیر زمینه‌ای تقلیل‌ناپذیر از اثبات‌های منطقی قضیه کوچن-اسپکر. Quantum، 4:219، 2020. doi:10.22331/​q-2020-01-10-219.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-01-10-219

[35] ایهود هروشوسکی و ایتامار پیتووسکی تعمیم قضیه کوچن و اسپکر و اثربخشی قضیه گلیسون. مطالعات تاریخ و فلسفه علم بخش ب: مطالعات تاریخ و فلسفه فیزیک مدرن، 35(2): 177–194، 2004. doi:10.1016/​j.shpsb.2003.10.002.
https://doi.org/​10.1016/​j.shpsb.2003.10.002

[36] لین چن و دراگومیر زی جوکوویچ. پایه های محصول متعامد چهار کیوبیت. J. Phys. A, 50(39):395301, 2017. doi:10.1088/1751-8121/​aa8546.
https://doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aa8546

[37] متیو اس لیفر. آیا حالت کوانتومی واقعی است؟ بررسی گسترده قضایای هستی‌شناسی $psi$. Quanta، 3(1):67–155، 2014. doi:10.12743/​quanta.v3i1.22.
https://doi.org/​10.12743/​quanta.v3i1.22

[38] متیو اس لیفر و اوون جی مارونی. تفسیرهای معرفتی حداکثری از حالت کوانتومی و زمینه. فیزیک Rev. Lett., 110:120401, 2013. doi:10.1103/​PhysRevLett.110.120401.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.120401

[39] راوی کنجوال. قضیه فاین، غیر متنی بودن و همبستگی ها در سناریوی اسپکر. فیزیک Rev. A, 91:022108, 2015. doi:10.1103/​PhysRevA.91.022108.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.91.022108

[40] توماش گوندا، راوی کونجوال، دیوید اشمید، الی ولف و آنا بلن ساینز. تقریباً همبستگی های کوانتومی با اصل اسپکر ناسازگار است. 2:87. doi: 10.22331/​q-2018-08-27-87.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-27-87

[41] آرتور فاین متغیرهای پنهان، احتمال مشترک و نابرابری های بل. فیزیک Rev. Lett., 48:291-295, 1982. doi:10.1103/​physrevlett.48.291.
https://doi.org/​10.1103/​physrevlett.48.291

[42] آرتور فاین توزیع های مشترک، همبستگی های کوانتومی، و قابل مشاهده های رفت و آمد. جی. ریاضی. Phys., 23(7):1306-1310, 1982. doi:10.1063/​1.525514.
https://doi.org/​10.1063/​1.525514

[43] سامسون آبرامسکی و آدام براندنبرگر ساختار شف-نظری غیرمحلی و زمینه‌گرایی. New J. Phys., 13(11):113036, 2011. doi:10.1088/1367-2630/13/11/113036.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​11/​113036

[44] رافائل چاوز و توبیاس فریتز رویکرد آنتروپیک به رئالیسم محلی و غیر زمینه‌گرایی. فیزیک Rev. A, 85:032113, 2012. doi:10.1103/​PhysRevA.85.032113.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.85.032113

[45] رمیگیوس آگوسیاک، توبیاس فریتز، ما کوتوفسکی، می کوتوفسکی، مارسین پاولوفسکی، ماسیج لوونشتاین و آنتونیو آسین. نابرابری‌های زنگ تنگ بدون نقض کوانتومی از پایه‌های محصول غیرقابل توسعه کیوبیت. فیزیک Rev. A, 85(4):042113, 2012. doi:10.1103/​physreva.85.042113.
https://doi.org/​10.1103/​physreva.85.042113

[46] ویکتوریا جی رایت و راوی کونجوال. تعبیه پرز. مخزن GitHub، 2021. URL: https://github.com/​vickyjwright/​embeddingperes.
https://github.com/​vickyjwright/​embeddingperes

[47] دانیل مک نالتی، بوگدان پامر و استفان وایگرت. پایه های محصول متقابل بی طرفانه برای چند کودیت. جی. ریاضی. Phys., 57(3):032202, 2016. doi:10.1063/​1.4943301.
https://doi.org/​10.1063/​1.4943301

[48] دیوید اشمید، هاوکسینگ دو، جان اچ سلبی و متیو اف پوزی. تنها مدل غیر متنی نظریه فرعی تثبیت کننده، مدل گراس است. فیزیک Rev. Lett., 129:120403, 2021 doi:10.1103/​PhysRevLett.129.120403.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.120403

[49] دانیل گوتسمن. نمایش هایزنبرگ از کامپیوترهای کوانتومی. در گروه 22: مجموعه مقالات کنفرانس بین المللی XXII در مورد روش های نظری گروهی در فیزیک، صفحات 32-43. Cambridge, MA, International Press, 1998. doi:10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006.
https://doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​9807006
arXiv:quant-ph/9807006

[50] اسکات آرونسون و دنیل گوتسمن شبیه سازی بهبود یافته مدارهای تثبیت کننده فیزیک Rev. A, 70:052328, 2004. doi:10.1103/​PhysRevA.70.052328.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.052328

[51] آدان کابلو، سیمونه سورینی و آندریاس وینتر. رویکرد نظریه گراف به همبستگی های کوانتومی. فیزیک Rev. Lett., 112:040401, 2014. doi:10.1103/​PhysRevLett.112.040401.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.040401

[52] راینهارد اف ورنر. حالت‌های کوانتومی با همبستگی‌های اینشتین-پودولسکی-روزن که مدل متغیر پنهان را می‌پذیرند. فیزیک Rev. A, 40:4277–4281, 1989. doi:10.1103/​PhysRevA.40.4277.
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevA.40.4277

[53] مایکل سرخپوش. ناتمام بودن، غیرمحلی بودن و واقع گرایی: پیش درآمدی برای فلسفه مکانیک کوانتومی. انتشارات دانشگاه آکسفورد، 1987.

[54] توبیاس فریتز، آنا بلن ساینز، رمیگیوس آگوسیاک، جی بور براسک، رافائل چاوز، آنتونی لووریر و آنتونیو آسین. متعامد بودن محلی به عنوان یک اصل چند بخشی برای همبستگی های کوانتومی. ارتباطات طبیعت، 4 (1): 1-7، 2013. doi:10.1038/​ncomms3263.
https://doi.org/10.1038/ncomms3263

[55] جولین دگور، مارک کاپلان، سوفی لاپلانت و ژرمی رولان. پیچیدگی ارتباطی توزیع های غیر سیگنالینگ In Mathematical Foundations of Computer Science 2009, pages 270-281, Berlin, Heidelberg, 2009. Springer Berlin Heidelberg. doi: 10.1007/978-3-642-03816-7_24.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-03816-7_24

ذکر شده توسط

[1] راوی کونجوال و امین باوملر، "ترتیب علّی تجارت برای محل"، arXiv: 2202.00440.

نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2023-01-20 13:15:18). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.

On سرویس استناد شده توسط Crossref هیچ داده ای در مورد استناد به آثار یافت نشد (آخرین تلاش 2023-01-20 13:15:16).

تمبر زمان:

بیشتر از مجله کوانتومی