Kohti mittausteoriaa QFT:ssä: "Mahdottomat" kvantimittaukset ovat mahdollisia, mutta eivät ihanteellisia

Kohti mittausteoriaa QFT:ssä: "Mahdottomat" kvantimittaukset ovat mahdollisia, mutta eivät ihanteellisia

Aikaleima: 27. helmikuuta 2024 5

Nicolas Gisin ja Flavio Del Santo

Soveltavan fysiikan ryhmä, Geneven yliopisto, 1211 Geneve, Sveitsi
Constructor University, Geneve, Sveitsi

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Naiivit yritykset yhdistää suhteellisuus- ja kvantimittaukset johtavat signalointiin avaruuden kaltaisten erillisten alueiden välillä. QFT:ssä nämä tunnetaan nimellä $textit{impossible mittaukset}$. Osoitamme, että sama ongelma ilmenee ei-relativistisessa kvanttifysiikassa, jossa yhteiset ei-lokaalimittaukset (eli järjestelmien välillä, jotka pidetään spatiaalisesti erillään) johtavat yleensä signalointiin, kun taas voisi odottaa signaalin puuttumista (esimerkiksi $textit{periaatteen perusteella). ei-fyysisen viestinnän}$). Tämä herättää kysymyksen: Mitkä ei-paikalliset kvantimittaukset ovat fyysisesti mahdollisia? Tarkastelemme ja kehitämme edelleen ei-relativistista kvanttiinformaation lähestymistapaa, joka on kehitetty riippumatta QFT:n mahdottomista mittauksista, ja osoitamme, että nämä kaksi ovat käsitelleet käytännössä samaa ongelmaa. Ei-relativistinen ratkaisu osoittaa, että kaikki ei-paikalliset mittaukset ovat $lokalisoitavia$ (eli ne voidaan suorittaa etäältä ilman, että merkinantokielto on loukattu), mutta ne (i) voivat vaatia mielivaltaisen suuria sotkeutuneita resursseja ja (ii) eivät yleensä ole $ideal$, eli ne eivät ole välittömästi toistettavissa. Nämä näkökohdat voivat auttaa ohjaamaan täydellisen mittausteorian kehittämistä QFT:ssä.

Kohti mittausteoriaa QFT:ssä: "Mahdottomat" kvantimittaukset ovat mahdollisia, mutta eivät ihanteellinen PlatoBlockchain Data Intelligence. Pystysuuntainen haku. Ai.

Suositeltu kuva: "Mahdottomat mittaukset" ovat myös ei-relativistisen kvanttifysiikan ongelma. Käyttämällä kietoutuneita tiloja resursseina on kuitenkin mahdollista suorittaa ei-paikallisia mittauksia rikkomatta signalointikieltoa. Nämä mittaukset eivät kuitenkaan voi olla ihanteellisia.

Suosittu yhteenveto

Naiivit yritykset yhdistää suhteellisuusteoria kvanttimittauksiin johtavat teoriassa välittömään viestintään kaukaisten alueiden välillä. Tämä työ osoittaa, että tällainen ongelma, joka tunnetaan kvanttikenttäteoriassa (QFT) "mahdottomina mittauksina", esiintyy myös ei-relativistisessa kvanttifysiikassa, jossa tietyt yhteismittaukset spatiaalisesti erillään olevissa järjestelmissä voisivat mahdollistaa signaloinnin, vaikka fyysistä kantajaa ei kuljesikaan välillä. juhlat.
Ei-relativistisen kvanttitiedon tutkimus on rinnastanut QFT:ssä havaittuihin dilemmoihin, mikä viittaa yhteiseen taustalla olevaan haasteeseen. Ratkaiseva kysymys on tunnistaa, mitkä ei-paikalliset (ts. suoritetaan kahdessa tai useammassa järjestelmässä ilman, että niitä tuodaan samaan paikkaan) kvanttimittaukset ovat toteutettavissa rikkomatta signalointiperiaatetta. Osoittautuu, että ei-paikallisia mittauksia voidaan tehdä ilman signalointikiellon rikkomista, mutta ne eivät aina ole ihanteellisia (eli niitä ei voida toistaa täydellisesti välittömästi). Lisäksi ne voidaan suorittaa lisäkietoutuneiden tilojen resurssien käytön kustannuksella.
Nämä oivallukset ovat avainasemassa edistämään ymmärrystämme kvanttimittauksesta sekä ei-relativistisissa olosuhteissa että QFT:ssä, mikä vie meidät lähemmäksi yhtenäistä kvanttimittauksen teoriaa.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Lev Landau ja Rudolf Peierls. "Erweiterung des Unbestimmtheitsprinzips für die relativistische Quantentheorie". Zeitschrift für Physik 69, 56–69 (1931).

[2] Paul Arthur Schilpp. "Elävien filosofien kirjasto, osa 7. Albert Einstein: Filosofi-tieteilijä". Tudor Publishing Company. (1949).

[3] KE Hellwig ja K Kraus. "Mittausten muodollinen kuvaus paikallisessa kvanttikenttäteoriassa". Physical Review D 1, 566 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.1.566

[4] Yakir Aharonov ja David Z Albert. "Tilat ja havainnot relativistisissa kvanttikenttäteorioissa". Physical Review D 21, 3316 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.21.3316

[5] Yakir Aharonov ja David Z Albert. "Voimmeko saada järkeä mittausprosessista relativistisessa kvanttimekaniikassa?". Physical Review D 24, 359 (1981).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.24.359

[6] Thiago Guerreiro, Bruno Sanguinetti, Hugo Zbinden, Nicolas Gisin ja Antoine Suarez. "Yhden fotonin avaruuden kaltainen antibunching". Physics Letters A 376, 2174–2177 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2012.05.019

[7] John Earman ja Giovanni Valente. "Relativistinen kausaalisuus algebrallisessa kvanttikenttäteoriassa". International Studies in the Philosophy of Science 28, 1–48 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1080 / +02698595.2014.915652

[8] Rafael D Sorkin. "Mahdottomia mittauksia kvanttikentillä". Yleisen suhteellisuusteorian suunnassa: Proceedings of the 1993 International Symposium, Maryland. Osa 2, sivut 293–305. (1993).

[9] Doreen Fraser ja Maria Papageorgiou. "Huomautus jaksoista QFT:tä käyttävien paikallisten aika-avaruusalueiden mittausten mallinnushistoriassa". The European Physical Journal H 48, 14 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1140/​epjh/​s13129-023-00064-1

[10] Maria Papageorgiou ja Doreen Fraser. "Eliminating the" mahdotonta": Viimeaikainen edistyminen kvanttikenttäteorian paikallismittausteoriassa" (2023). arXiv:2307.08524.
arXiv: 2307.08524

[11] Leron Borsten, Ian Jubb ja Graham Kells. "Mahdottomia mittauksia tarkistettu". Physical Review D 104, 025012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.104.025012

[12] Minä Jubb. "Syy-tilan päivitykset todellisessa skalaarikvanttikenttäteoriassa". Physical Review D 105, 025003 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.025003

[13] Emma Albertini ja Ian Jubb. "Ovatko todellisten skalaarikenttien ideaaliset mittaukset kausaalisia?" (2023).

[14] Christopher J Fewster ja Rainer Verch. "Kvanttikentät ja paikallismittaukset". Communications in Mathematical Physics 378, 851–889 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-020-03800-6

[15] Christopher J Fewster. "Yleisesti kovarianttimittausjärjestelmä kvanttikenttäteorialle kaarevissa tila-ajoissa". Progress and Vision in Quantum Theory in View of Gravity: Fysiikan ja matematiikan perusteiden yhdistäminen. Sivut 253-268. Springer (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-38941-3_11

[16] Henning Bostelmann, Christopher J Fewster ja Maximilian H Ruep. "Mahdottomat mittaukset vaativat mahdottomia laitteita". Physical Review D 103, 025017 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.103.025017

[17] Christopher J Fewster ja Rainer Verch. "Mittaus kvanttikenttäteoriassa" (2023). arXiv:2304.13356.
arXiv: 2304.13356

[18] Nicolas Gisin. "Kvanttimahdollisuus: epäpaikallisuus, teleportaatio ja muut kvanttiihmeet". Springer. (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-05473-5

[19] Yakir Aharonov, David Z Albert ja Lev Vaidman. "Mittausprosessi relativistisessa kvanttiteoriassa". Physical Review D 34, 1805 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.34.1805

[20] Sandu Popescu ja Lev Vaidman. "Syy-suhteen rajoitukset ei-paikallisissa kvanttimittauksissa". Physical Review A 49, 4331 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.49.4331

[21] Berry Groisman ja Lev Vaidman. "Ei-paikalliset muuttujat, joilla on tuotetilan ominaistilat". Journal of Physics A: Mathematical and General 34, 6881 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​34/​35/​313

[22] Berry Groisman ja Benni Reznik. "Puolipaikallisten ja ei-maksimaalisesti takertuneiden tilojen mittaukset". Physical Review A 66, 022110 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.022110

[23] Lev Vaidman. "Ei-paikallisten muuttujien hetkellinen mittaus". Physical Review Letters 90, 010402 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.90.010402

[24] Berry Groisman, Benni Reznik ja Lev Vaidman. "Ei-paikallisten muuttujien hetkelliset mittaukset". Journal of Modern Optics 50, 943–949 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1080 / +09500340308234543

[25] SR Clark, AJ Connor, D Jaksch ja S Popescu. "Hetkellisen ei-paikallisen kvanttimittauksen takertumiskulutus". New Journal of Physics 12, 083034 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​8/​083034

[26] Salman Beigi ja Robert König. "Yksinkertaistettu hetkellinen ei-paikallinen kvanttilaskenta sovelluksilla paikkapohjaiseen kryptografiaan". New Journal of Physics 13, 093036 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​9/​093036

[27] Alvin Gonzales ja Eric Chitambar. "Rajat hetkelliseen ei-paikalliseen kvanttilaskentaan". IEEE Transactions on Information Theory 66, 2951–2963 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2950190

[28] David Beckman, Daniel Gottesman, Michael A Nielsen ja John Preskill. "Kausaaliset ja lokalisoitavat kvanttioperaatiot". Physical Review A 64, 052309 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052309

[29] Nicolas Gisin. "Ketkeily 25 vuotta kvanttiteleportaation jälkeen: Yhteisten mittausten testaus kvanttiverkoissa". Entropia 21, 325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e21030325

[30] Flavio Del Santo, Jakub Czartowski, Karol Życzkowski ja Nicolas Gisin. "Iso-kietoutuvat pohjat ja liitosmittaukset" (2023). arXiv:2307.06998.
arXiv: 2307.06998

[31] Sébastian de Bone, Runsheng Ouyang, Kenneth Goodenough ja David Elkouss. "Protokollat ​​moniosaisten GHZ-tilojen luomiseen ja tislaamiseen Bell-parien kanssa". IEEE Transactions on Quantum Engineering 1, 1–10 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3044179

[32] Tein van der Lugt. "Relativistiset rajat kvanttioperaatioille" (2021). arXiv:2108.05904.
arXiv: 2108.05904

[33] Tilo Eggeling, Dirk Schlingemann ja Reinhard F Werner. "Semikausaaliset operaatiot ovat puolilokalisoitavia". Europhysics Letters 57, 782 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2002-00579-4

[34] Eric G Cavalcanti, Rafael Chaves, Flaminia Giacomini ja Yeong-Cherng Liang. "Tuoreita näkökulmia kvanttifysiikan perusteisiin". Nature Reviews Physics 5, 323–325 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42254-023-00586-z

[35] Eric Chitambar, Debbie Leung, Laura Mančinska, Maris Ozols ja Andreas Winter. "Kaikki mitä olet aina halunnut tietää LOCC:sta (mutta pelkäsit kysyä)". Communications in Mathematical Physics 328, 303–326 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-1953-9

[36] Berry Groisman ja Sergii Strelchuk. "Optimaalinen kietoutumisen määrä kvanttitilojen erottamiseksi välittömästi". Physical Review A 92, 052337 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052337

[37] Giorgos Eftaxias, Mirjam Weilenmann ja Roger Colbeck. "Yhteismittaukset boxworldissa ja niiden rooli tiedonkäsittelyssä" (2022). arXiv:2209.04474.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.108.062212
arXiv: 2209.04474

[38] Albert Much ja Rainer Verch. "Superluminaaliset paikallisoperaatiot kvanttikenttäteoriassa: pingispallotesti" (2023). arXiv:2308.16673.
https: / / doi.org/ 10.3390 / universe9100447
arXiv: 2308.16673

[39] Joseph-Maria Jauch ja Constantin Piron. "Kvanttiehdotusjärjestelmien rakenteesta". Helvetica Physica Acta 42, 842-848 (1969).

[40] Constantin Piron. "Axiomatique quantique". Helvetica Physica Acta 37, 439 (1964).

[41] N Gisin. "Avaruudellisesti erotettujen kvanttijärjestelmien ominaisuushila". Reports on Mathematical Physics 23, 363-371 (1986).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(86)90031-5

Viitattu

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal