Kontextualitás összetett rendszerekben: az összefonódás szerepe a Kochen-Specker-tételben

Kontextualitás összetett rendszerekben: az összefonódás szerepe a Kochen-Specker-tételben

Victoria J Wright1 és Ravi Kunjwal2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelona Tudományos és Technológiai Intézet, 08860 Castelldefels, Spanyolország
2Kvantuminformációs és Kommunikációs Központ, Ecole polytechnique de Bruxelles, CP 165, Université libre de Bruxelles, 1050 Brüsszel, Belgium

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

A Kochen–Specker (KS) tétel felfedi az egyes kvantumrendszerek nem klasszikusságát. Ezzel szemben Bell tétele és összefonódása az összetett kvantumrendszerek nem klasszikusságára vonatkozik. Ennek megfelelően, az inkompatibilitástól eltérően, az összefonódás és a Bell nem lokalitás nem szükséges a KS-kontextualitás kimutatásához. Itt azonban azt találjuk, hogy a multiqubit rendszerek esetében az összefonódás és a nem lokalitás egyaránt elengedhetetlen a Kochen–Specker-tétel bizonyításához. Először is megmutatjuk, hogy a nem összefonódott mérések (a lokális mérések szigorú szuperhalmaza) soha nem adhatják meg a KS-tétel logikai (állapotfüggetlen) bizonyítását többkbites rendszerekre. Különösen a nem összefonódott, de nem lokális mérések – amelyek sajátállapotai „összefonódás nélküli nem lokalitást” mutatnak – nem elegendőek az ilyen bizonyításhoz. Ez azt is jelenti, hogy a Gleason-tétel bizonyítása többkbites rendszeren szükségszerűen összefonódott vetületeket igényel, amint azt Wallach mutatja [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. Másodszor, megmutatjuk, hogy egy multiqubit állapot akkor és csak akkor engedi meg a KS-tétel statisztikai (állapotfüggő) bizonyítását, ha projektív mérésekkel megsértheti a Bell-egyenlőtlenséget. Az összefonódás és a Kochen–Specker és Gleason tételek közötti kapcsolatot általánosabban multiqudit rendszerekben is megállapítjuk, új KS-halmazok példáinak megalkotásával. Végül megvitatjuk, hogy eredményeink miként vetnek új megvilágításba a multiqubit kontextualitás mint erőforrás szerepét az állapotinjektáló kvantumszámítás paradigmájában.

[Beágyazott tartalmat]

A nagyon kicsi fizikai rendszerek, mint például a fényfotonok, olyan módon viselkednek, ami ellentmond a fizikus tudósok a kvantumelmélet megjelenése előtt alkalmazott elméleteinek. A kvantumelméletet ezeknek a nagyon kicsi rendszereknek a leírására fejlesztették ki, és ezt nagyon sikeresen teszi. Általánosságban elmondható, hogy a kvantumelméletet megelőző elméletek, amelyeket gyakran klasszikus elméleteknek neveznek, mind nem kontextuálisak. Egy elmélet nem kontextuális, ha egy rendszer minden megfigyelhető tulajdonsága, például a helyzete, feltételezhető, hogy mindenkor meghatározott értéke van, így bármikor és bárhogyan mérjük ezt a tulajdonságot, megtaláljuk ezt az értéket. A Kochen-Specker-tétel megmutatja, hogy a kvantumelmélet előrejelzései hogyan nem magyarázhatók nem kontextuális módon.

A kvantumelméletnek más jelentős különbségei is vannak a klasszikus elméletekhez képest, két kiemelkedő példa a Bell-féle lokalitás és az összefonódás. Ellentétben a fent leírt Kochen-Specker kontextualitással, amely egyetlen kvantumrendszert foglal magában, a Bell nonlokalitás és összefonódás csak akkor jelennek meg tulajdonságok, ha több kvantumrendszert együtt vizsgálunk. Ebben a munkában azonban megmutatjuk, hogy a több qubites rendszerekben (mint egy kvantumszámítógépben) mind a Bell-nonlokalitás, mind az összefonódás elengedhetetlen a Kochen–Specker kontextualitás meglétéhez.

A fizika alapjaival kapcsolatos relevancián kívül megvitatjuk, hogy eredményeink hogyan vezethetnek a kvantumszámítástechnika kvantumelőnyének jobb megértéséhez. A kvantumelőnynek a kvantum-, illetve a klasszikus számítógépeket leíró kvantumfizika és a klasszikus fizika közötti különbségekből kell fakadnia. Ezért az általunk vizsgált multiqubit rendszerek nem-klasszikusságának megértése utat jelent a kvantumelőny erejének kihasználásához.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] Erwin Schrödinger. Az elkülönült rendszerek közötti valószínűségi összefüggések tárgyalása. In Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 31. kötet, 555–563. oldal. Cambridge University Press, 1935. doi: 10.1017/​S0305004100013554.
https://​/​doi.org/​10.1017/​S0305004100013554

[2] Noah Linden és Sandu Popescu. Jó dinamika a rossz kinematikával szemben: Szükség van-e összefonódásra a kvantumszámításhoz? Phys. Rev. Lett., 87:047901, 2001. doi:10.1103/​PhysRevLett.87.047901.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.87.047901

[3] Animesh Datta és Guifre Vidal. Az összefonódás és korrelációk szerepe a vegyes állapotú kvantumszámításban. Phys. Rev. A, 75:042310, 2007. doi:10.1103/​PhysRevA.75.042310.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.75.042310

[4] Victor Veitch, Christopher Ferrie, David Gross és Joseph Emerson. Negatív kvázi-valószínűség, mint erőforrás a kvantumszámításhoz. 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] Mark Howard, Joel Wallman, Victor Veitch és Joseph Emerson. A kontextualitás biztosítja a kvantumszámítás „varázslatát”. Nature, 510(7505):351–355, 2014. doi:10.1038/nature13460.
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature13460

[6] Claudio Carmeli, Teiko Heinosaari és Alessandro Toigo. Kvantum véletlen hozzáférésű kódok és a mérések összeférhetetlensége. EPL (Europhysics Letters), 130(5):50001, 2020. doi:10.1209/​0295-5075/​130/​50001.
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​130/​50001

[7] Toby S Cubitt, Debbie Leung, William Matthews és Andreas Winter. Zéró hiba nélküli klasszikus kommunikáció fejlesztése összefonódással. Phys. Rev. Lett., 104:230503, 2010. doi:10.1103/​PhysRevLett.104.230503.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.230503

[8] Shiv Akshar Yadavalli és Ravi Kunjwal. Kontextualitás az összefonódást segítő egylövéses klasszikus kommunikációban. arXiv:2006.00469, 2020. doi:10.48550/arXiv.2006.00469.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2006.00469
arXiv: 2006.00469

[9] Farkas Máté, Maria Balanzó-Juandó, Karol Łukanowski, Jan Kołodyński és Antonio Acín. A csengő nem lokalitása nem elegendő a szabványos eszközfüggetlen kvantumkulcs-elosztási protokollok biztonságához. Phys. Rev. Lett., 127:050503, 2021. doi:10.1103/​PhysRevLett.127.050503.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.050503

[10] John Preskill. Kvantumszámítástechnika a NISQ-korszakban és azon túl. Quantum, 2:79, 2018. doi: 10.22331/q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[11] Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C Bardin, Rami Barends, Rupak Biswa, Sergio Boixo és mások. Kvantumfölény programozható szupravezető processzor segítségével. Nature, 574(7779):505–510, 2019. doi:10.1038/​s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[12] Simon Kochen és Ernst P Specker. A rejtett változók problémája a kvantummechanikában. J. Math. Mech., 17(1):59–87, 1967. doi: 10.1512/​iumj.1968.17.17004.
https://​/​doi.org/​10.1512/​iumj.1968.17.17004

[13] Juan Bermejo-Vega, Nicolas Delfosse, Dan E Browne, Cihan Okay és Robert Raussendorf. A kontextualitás mint erőforrás a qubites kvantumszámítási modellekhez. Phys. Rev. Lett., 119:120505, 2017. doi:10.1103/​PhysRevLett.119.120505.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.120505

[14] John Bell. Az Einstein-Podolsky-Rosen paradoxonról. Physics, 1(RX-1376):195–200, 1964. doi: 10.1103/​PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[15] John S Bell. A rejtett változók problémájáról a kvantummechanikában. Rev. Mod. Phys., 38:447–452, 1966. doi: 10.1103/​RevModPhys.38.447.
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.38.447

[16] Andrew M Gleason. Mérések egy Hilbert-tér zárt altereire. Indiana Univ. Math. J, 6:885, 1957. doi: 10.1512/iumj.1957.6.56050.
https://​/​doi.org/​10.1512/​iumj.1957.6.56050

[17] Robert W Spekkens. Kvázi-kvantálás: Klasszikus statisztikai elméletek episztemikus megszorítással, 83–135. oldal. Springer Hollandia, Dordrecht, 2016. doi:10.1007/​978-94-017-7303-4_4.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-94-017-7303-4_4

[18] Ravi Kunjwal és Robert W Spekkens. A Kochen-Specker-tételtől a nem kontextualitási egyenlőtlenségekig, determinizmust nem feltételezve. Phys. Rev. Lett., 115:110403, 2015. doi:10.1103/​PhysRevLett.115.110403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.115.110403

[19] Ravi Kunjwal és Robert W Spekkens. A Kochen-Specker-tétel statisztikai bizonyításaitól a zajrobusztus non-kontextualitási egyenlőtlenségekig. Phys. Rev. A, 97:052110, 2018. doi:10.1103/​PhysRevA.97.052110.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.97.052110

[20] Alexander A Klyachko, M Ali Can, Sinem Binicioğlu és Alexander S Shumovsky. A Spin-1 rendszerek rejtett változóinak egyszerű tesztje. Phys. Rev. Lett., 101:020403, 2008. doi:10.1103/​PhysRevLett.101.020403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.101.020403

[21] Robert W Spekkens. Kontextualitás az előkészületekhez, átalakításokhoz és nem éles mérésekhez. Phys. Rev. A, 71:052108, 2005. doi:10.1103/​PhysRevA.71.052108.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.71.052108

[22] Ravi Kunjwal és Sibasish Ghosh. A mérési kontextualitás minimális állapotfüggő bizonyítása qubit esetén. Phys. Rev. A, 89:042118, 2014. doi:10.1103/​PhysRevA.89.042118.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.89.042118

[23] Ravi Kunjwal. Kontextualitás a Kochen–Specker-tételen túl. arXiv:1612.07250, 2016. doi:10.48550/arXiv.1612.07250.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1612.07250
arXiv: 1612.07250

[24] Paul Busch. Kvantumállapotok és általánosított megfigyelések: Gleason tételének egyszerű bizonyítása. Phys. 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 és Joseph M Renes. A kvantumvalószínűségi szabály Gleason-típusú levezetései általánosított mérésekhez. Megtalált. Phys., 34:193–209, 2004. doi:10.1023/​b:foop.0000019581.00318.a5.
https://​/​doi.org/​10.1023/​b:foop.0000019581.00318.a5

[26] Victoria J Wright és Stefan Weigert. Gleason-típusú tétel qubitekre, projektív mérések keverékén alapuló. J. Phys. A, 52:055301, 2019. doi: 10.1088/​1751-8121/​aaf93d.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaf93d

[27] Nolan R Wallach. Egy kibontatlan Gleason-tétel. Contemp Math, 305:291–298, 2002. doi: 10.1090/​conm/​305/​05226.
https://​/​doi.org/​10.1090/​conm/​305/​05226

[28] Charles H Bennett, David P DiVincenzo, Christopher A Fuchs, Tal Mor, Eric Rains, Peter W Shor, John A Smolin és William K Wootters. Kvantum nonlokalitás összefonódás nélkül. Phys. Rev. A, 59:1070–1091, 1999. doi: 10.1103/​PhysRevA.59.1070.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.59.1070

[29] David N Mermin. Rejtett változók és John Bell két tétele. Rev. Mod. Phys., 65:803–815, 1993. doi: 10.1103/​RevModPhys.65.803.
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.65.803

[30] Asher Peres. A Kochen–Specker-tétel két egyszerű bizonyítása. 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] Asher Peres. A kvantummérések összeférhetetlen eredményei. Phys. 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] Antonio Acín, Tobias Fritz, Anthony Leverrier és Ana Belén Sainz. A nonlokalitás és a kontextualitás kombinatorikus megközelítése. Commun. Math. Phys., 334(2):533–628, 2015. doi:10.1007/​s00220-014-2260-1.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-2260-1

[33] Ravi Kunjwal. A Cabello-Severini-Winter keretrendszeren túl: A kontextualitás érzékeltetése a mérések élessége nélkül. Quantum, 3:184, 2019. doi: 10.22331/q-2019-09-09-184.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2019-09-09-184

[34] Ravi Kunjwal. Hipergráf keretrendszer irreducibilis non-kontextualitási egyenlőtlenségekhez a Kochen-Specker-tétel logikai bizonyításai alapján. Quantum, 4:219, 2020. doi: 10.22331/q-2020-01-10-219.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-01-10-219

[35] Ehud Hrushovski és Itamar Pitowsky. A Kochen- és Specker-tétel általánosításai és a Gleason-tétel hatékonysága. Tudománytörténeti és Tudományfilozófiai Tanulmányok B. rész: Tanulmányok a Modern fizika történetéből és filozófiájából, 35(2):177–194, 2004. doi:10.1016/​j.shpsb.2003.10.002.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.shpsb.2003.10.002

[36] Lin Chen és Dragomir Z Djokovic. Négy qubit ortogonális szorzatalapja. J. Phys. A, 50(39):395301, 2017. doi:10.1088/​1751-8121/​aa8546.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aa8546

[37] Matthew S Leifer. Valós a kvantumállapot? A $psi$-ontológia tételek kiterjesztett áttekintése. Quanta, 3(1):67–155, 2014. doi:10.12743/​quanta.v3i1.22.
https://​/​doi.org/​10.12743/​quanta.v3i1.22

[38] Matthew S Leifer és Owen JE Maroney. A kvantumállapot és a kontextualitás maximálisan episztemikus értelmezései. Phys. Rev. Lett., 110:120401, 2013. doi:10.1103/​PhysRevLett.110.120401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.110.120401

[39] Ravi Kunjwal. Fine tétele, nem kontextualitás és összefüggések Specker forgatókönyvében. Phys. Rev. A, 91:022108, 2015. doi:10.1103/​PhysRevA.91.022108.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.91.022108

[40] Tomáš Gonda, Ravi Kunjwal, David Schmid, Elie Wolfe és Ana Belén Sainz. Szinte a kvantumkorrelációk nincsenek összhangban Specker elvével. 2:87. doi:10.22331/q-2018-08-27-87.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-27-87

[41] Arthur Fine. Rejtett változók, közös valószínűségek és Bell-egyenlőtlenségek. Phys. Rev. Lett., 48:291–295, 1982. doi: 10.1103/​physrevlett.48.291.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physrevlett.48.291

[42] Arthur Fine. Együttes eloszlások, kvantumkorrelációk és ingázási megfigyelések. J. Math. Phys., 23(7):1306–1310, 1982. doi:10.1063/​1.525514.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.525514

[43] Samson Abramsky és Adam Brandenburger. A nem lokalitás és a kontextualitás kéveelméleti szerkezete. 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] Rafael Chaves és Tobias Fritz. Entropikus megközelítés a lokális realizmushoz és a non-kontextualitáshoz. Phys. Rev. A, 85:032113, 2012. doi:10.1103/​PhysRevA.85.032113.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.85.032113

[45] Remigiusz Augusiak, Tobias Fritz, Ma Kotowski, Mi Kotowski, Marcin Pawłowski, Maciej Lewenstein és Antonio Acín. Szoros Bell-egyenlőtlenségek kvantumsértés nélkül a qubit kiterjeszthetetlen termékalapokból. Phys. Rev. A, 85(4):042113, 2012. doi:10.1103/​physreva.85.042113.
https://​/​doi.org/​10.1103/​physreva.85.042113

[46] Victoria J Wright és Ravi Kunjwal. Peresz beágyazása. GitHub adattár, 2021. URL: https:/​/​github.com/​vickyjwright/​embeddingperes.
https://​/​github.com/​vickyjwright/​embeddingperes

[47] Daniel McNulty, Bogdan Pammer és Stefan Weigert. Kölcsönösen elfogulatlan termékalapok több qudithoz. J. Math. Phys., 57(3):032202, 2016. doi:10.1063/​1.4943301.
https://​/​doi.org/​10.1063/​1.4943301

[48] David Schmid, Haoxing Du, John H Selby és Matthew F Pusey. A stabilizátor részelmélet egyetlen nem kontextuális modellje a Gross-féle. Phys. Rev. Lett., 129:120403, 2021 doi:10.1103/​PhysRevLett.129.120403.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.120403

[49] Daniel Gottesman. A kvantumszámítógépek Heisenberg-reprezentációja. In Group22: Proceedings of the XXII International Colloquium on Group Theoretical Methods in Physics, 32–43. oldal. 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] Scott Aaronson és Daniel Gottesman. A stabilizátor áramkörök továbbfejlesztett szimulációja. Phys. Rev. A, 70:052328, 2004. doi:10.1103/​PhysRevA.70.052328.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.70.052328

[51] Adán Cabello, Simone Severini és Andreas Winter. A kvantumkorrelációk gráfelméleti megközelítése. Phys. Rev. Lett., 112:040401, 2014. doi:10.1103/​PhysRevLett.112.040401.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.040401

[52] Reinhard F Werner. Kvantumállapotok Einstein-Podolsky-Rosen korrelációkkal, amelyek rejtett változós modellt engednek meg. Phys. Rev. A, 40:4277–4281, 1989. doi:10.1103/​PhysRevA.40.4277.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.40.4277

[53] Michael Redhead. Befejezetlenség, nem lokalitás és realizmus: A kvantummechanika filozófiájának előszele. Oxford University Press, 1987.

[54] Tobias Fritz, Ana Belén Sainz, Remigiusz Augusiak, J Bohr Brask, Rafael Chaves, Anthony Leverrier és Antonio Acín. A lokális ortogonalitás mint többrészes elv a kvantumkorrelációkhoz. Nature Communications, 4(1):1–7, 2013. doi:10.1038/​ncomms3263.
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms3263

[55] Julien Degorre, Marc Kaplan, Sophie Laplante és Jérémie Roland. A nem jelző eloszlások kommunikációs összetettsége. In Mathematical Foundations of Computer Science 2009, 270–281. oldal, 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

Idézi

[1] Ravi Kunjwal és Ämin Baumeler, „Trading causal order for locality”, arXiv: 2202.00440.

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-01-20 13:15:18). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

On Crossref által idézett szolgáltatás művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2023-01-20 13:15:16).

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal