שיבוט היגוי קוונטי הוא אסור

היגוי קוונטי - תופעה מוזרה ולא מקומית הדומה להסתבכות קוונטית - לא ניתן לשכפל בצורה מושלמת על ידי שום פעולה משותפת בין המערכת המנוהלת למערכת חיצונית. משפט "ללא שיבוט" חדש זה הוא תוצאה של עבודה של חוקרים בסין שחקרו את המצב שנוצר כאשר אחד משני הצדדים החולקים מצב קוונטי אינו סומך על מקור החלקיקים הקוונטיים המשמשים ליצירת מצב זה. בנוסף להיותו חשוב לפיזיקה הבסיסית, לממצא עשויות להיות השלכות על הצפנה קוונטית ומחשוב קוונטי.

מחשבים קונבנציונליים מאחסנים מידע כ"סיביות" שיש להם ערך של 1 או 0. מחשבים קוונטיים, לעומת זאת, מאחסנים מידע במערכות קוונטיות דו-מפלסיות כגון מצבי הקיטוב האופקי והאנכי של פוטונים או "ספין למעלה" ו- " ספין למטה" מצבי אלקטרונים. המצבים של סיביות קוונטיות אלה, או קיוביטים, אינם מוגבלים ל-0 ו-1; הם יכולים להתקיים גם בשילוב ביניים המכונה סופרפוזיציה. עם זאת, לעולם לא ניתן לדעת את המצב המלא של מערכת קוונטית במלואה, כלומר שכפול מושלם של קיוביטים אסור. זהו מה שנקרא משפט "ללא שיבוט", והוא מהווה את הבסיס להצפנה קוונטית.

עיקרון חשוב נוסף הוא ששני קיוביטים או יותר יכולים להסתבך, כלומר יש ביניהם קשר קרוב הרבה יותר ממה שמותר לפי הפיסיקה הקלאסית. כאשר שני קיוביטים מסתבכים, מדידת המצב של אחד מהם אומרת לך אוטומטית את המצב של השני, לא משנה כמה הם רחוקים זה מזה. לדוגמה, אם אתה יודע את הספין של חלקיק אחד, אתה יכול לקבוע את זה של השני.

אלברט איינשטיין מצא את ההיבט הזה של הסתבכות מטריד, שכן הוא מרמז שחלקיקים סבוכים יכולים להשפיע על מצבו של זה בצורה לא מקומית - דבר שהוא כינה "פעולה מפחידה מרחוק". במאמר שפורסם ב-1935, הוא ועמיתיו בוריס פודולסקי ונתן רוזן טענו נגד צורה זו של אי-לוקאליות, והיא נודעה כפרדוקס ה-EPR על שם ראשי התיבות שלהם. אולם מחקר מאוחר יותר הראה שהטיעון שלהם שגוי: ה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 הלך לשלישיית ניסויים אשר, בהתבסס על עבודתו של התיאורטיקן המנוח ג'ון סטיוארט בל, הוכיחו שהסתבכות (ולכן אי-לוקאליות) היא אכן חלק מהעולם הפיזי שלנו.

"עקרון היגוי ללא שיבוט"

עם זאת, הסתבכות קוונטית אינה הצורה היחידה של אי-לוקאליות בתורת הקוונטים. סוג אחר, המכונה היגוי קוונטי, הוצג לראשונה על ידי ארווין שרדינגר כהכללה של פרדוקס ה-EPR. בהסתבכות קוונטית, שני הצדדים המעורבים בעסקה קוונטית (המכונה באופן מסורתי אליס ובוב), שניהם סומכים על המקור של חלקיקים קוונטיים המשמשים ליצירת המצבים שלהם. היגוי קוונטי מציג אסימטריה להגדרה הזו: כעת רק מקור אחד (של אליס, למשל) אמין. זה מאפשר לאליס "לנווט" את מצב החלקיקים שנצפה על ידי בוב, מה שאומר שמדידות שהיא מבצעת על החצי שלה מצמד החלקיקים המסובכים משפיעות על מצב החצי של בוב בצורה שלא ניתנת להסבר קלאסי.

"עקרון אי-שיבוט ההיגוי" שהודגם בעבודה החדשה מוסיף להבנתנו את צורת אי-הלוקאליות הזו. "משפט אי-שיבוט המקורי קובע ששום פעולה פיזיקלית לא יכולה להעתיק באופן מושלם מצב קוונטי לא ידוע", מסביר פו-לין ג'אנג, שהוביל צוות חוקרים ב- המחלקה לפיזיקה באוניברסיטת טיאנג'ין ו מכון צ'רן למתמטיקה באוניברסיטת ננקאי. "הממצא שלנו מצביע על כך שלא ניתן להעתיק את ההיגוי הקוונטי במצב ידוע באופן מושלם אם המצב הוא 'קוונטי מדי'."

החוקרים מצאו גם שניתן לשבט חלקית סוג של מתאם קוונטי, הנקרא היגוי EPR, קשור קשר הדוק. היגוי EPR קיים במדינות שניתן להשתמש בהן כדי להדגים בצורה משכנעת היגוי קוונטי גם אם הצופה במצבים המנוהלים אינו סומך על המודד. לכן ניתן להתייחס אליו כמאפיין קוונטי "חזק" יותר מהיגוי קוונטי, מסביר ג'אנג. "במשימות מידע קוונטי בין אליס לבוב שהותקפו על ידי צד שלישי, 'צ'רלי', באמצעות מכונת שיבוט, התוצאה שלנו קובעת סף על היגוי EPR בין אליס לבוב כדי לא לכלול היגוי EPR בין אליס וצ'רלי", הוא אומר. עולם הפיזיקה.

"אי-שיבוט של היגוי קוונטי הוא תוצאה של סופרפוזיציה קוונטית, כמו המשפטים המקוריים של אי-שיבוט ו-No-go", הוא מוסיף, "וההוכחה שלנו מבוססת על מה שנקרא משפט אי-שידור, שהוא מערכת מורחבת ללא שיבוט של מצבים 'מעורבים' (במערכות מורכבות).

החוקרים בודקים כעת כיצד דרגות של "קוונטיות" משפיעות על משפטים אחרים של "לא ללכת". "אנחנו לומדים פרוטוקולים של שיתוף מידע קוונטי וסוגים אחרים של מידע קוונטי בין צופים מרובים במסגרת של שיבוט קוונטי", מגלה ג'אנג. "נושא כזה של שיתוף אי-לוקאליות ומידע הוא בסיסי במדעי המידע הקוונטי."

העבודה מפורטת ב מכתבי פיזיקה סינית.