Kwantumsturing – een vreemd, niet-lokaal fenomeen dat lijkt op kwantumverstrengeling – kan niet perfect worden gerepliceerd door een gezamenlijke operatie tussen het systeem dat wordt bestuurd en een extern systeem. Deze nieuwe ‘niet-klonen’-stelling is het resultaat van werk van onderzoekers in China die de situatie hebben bestudeerd die ontstaat wanneer een van de twee partijen die een kwantumstaat delen de bron van de kwantumdeeltjes die worden gebruikt om die staat te creëren niet vertrouwt. De bevinding is niet alleen belangrijk voor de fundamentele natuurkunde, maar kan ook gevolgen hebben voor kwantumcryptografie en kwantumcomputers.
Conventionele computers slaan informatie op als ‘bits’ die een waarde van 1 of 0 hebben. Kwantumcomputers slaan informatie daarentegen op in kwantumsystemen met twee niveaus, zoals de horizontale en verticale polarisatietoestanden van fotonen of de ‘spin-up’ en ‘ spin-down” toestanden van elektronen. De toestanden van deze kwantumbits, of qubits, zijn niet beperkt tot 0 en 1; ze kunnen ook voorkomen in een tussencombinatie die bekend staat als een superpositie. De volledige staat van een kwantumsysteem kan echter nooit volledig bekend zijn, wat betekent dat perfecte duplicatie van qubits verboden is. Dit is de zogenaamde ‘no-cloning’-stelling en vormt de basis van de kwantumcryptografie.
Een ander belangrijk principe is dat twee of meer qubits verstrengeld kunnen raken, wat betekent dat ze een veel nauwere relatie hebben dan de klassieke natuurkunde toestaat. Wanneer twee qubits verstrengeld zijn, vertelt het meten van de toestand van één van hen automatisch de toestand van de tweede, ongeacht hoe ver ze uit elkaar liggen. Als je bijvoorbeeld de spin van het ene deeltje kent, kun je die van het andere deeltje bepalen.
Albert Einstein vond dit aspect van verstrengeling verontrustend, omdat het impliceerde dat verstrengelde deeltjes elkaars toestand op een niet-lokale manier konden beïnvloeden – iets wat hij ‘spookachtige actie op afstand’ noemde. In een artikel dat in 1935 werd gepubliceerd, pleitten hij en zijn collega's Boris Podolsky en Nathan Rosen tegen deze vorm van non-lokaliteit, en deze werd naar hun initialen bekend als de EPR-paradox. Uit later onderzoek bleek echter dat hun argumentatie onjuist is: de 2022 Nobelprijs voor Natuurkunde ging naar een drietal experimentatoren die, voortbouwend op het werk van wijlen theoreticus John Stewart Bell, aantoonden dat verstrengeling (en dus non-lokaliteit) inderdaad deel uitmaakt van onze fysieke wereld.
Het “sturende principe van niet-klonen”
Kwantumverstrengeling is echter niet de enige vorm van non-lokaliteit in de kwantumtheorie. Een ander type, bekend als kwantumsturing, werd voor het eerst geïntroduceerd door Erwin Schrödinger als een generalisatie van de EPR-paradox. Bij kwantumverstrengeling vertrouwen de twee partijen die betrokken zijn bij een kwantumtransactie (traditioneel bekend als Alice en Bob) allebei op de bron van de kwantumdeeltjes die worden gebruikt om hun respectievelijke toestanden te genereren. Kwantumsturing introduceert een asymmetrie in deze opzet: nu is slechts één bron (bijvoorbeeld die van Alice) betrouwbaar. Hierdoor kan Alice de toestand van de door Bob waargenomen deeltjes ‘sturen’, wat betekent dat metingen die ze doet op haar helft van het verstrengelde deeltjespaar de toestand van de helft van Bob beïnvloeden op een manier die niet klassiek kan worden verklaard.
Het ‘sturende niet-klonenprincipe’ dat in het nieuwe werk wordt gedemonstreerd, draagt bij aan ons begrip van deze vorm van non-lokaliteit. “Het oorspronkelijke no-cloning theorema stelt dat geen enkele fysieke operatie een onbekende kwantumtoestand perfect kan kopiëren”, legt hij uit Fu-Lin Zhang, die leiding gaf aan een team van onderzoekers bij de Afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Tianjin en Chern Instituut voor Wiskunde aan de Nankai Universiteit. “Onze bevinding geeft aan dat de kwantumsturing in een bekende toestand niet perfect kan worden gekopieerd als de toestand ‘te kwantum’ is.”
Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger winnen de Nobelprijs voor natuurkunde 2022
De onderzoekers ontdekten ook dat een nauw verwant type kwantumcorrelatie genaamd EPR-sturing gedeeltelijk kan worden gekloond. EPR-sturing bestaat in toestanden die kunnen worden gebruikt om op overtuigende wijze kwantumsturing aan te tonen, zelfs als de waarnemer van de gestuurde toestanden de meter niet vertrouwt. Het kan daarom worden beschouwd als een ‘sterkere’ kwantumeigenschap dan kwantumsturing, legt Zhang uit. “Bij kwantuminformatietaken tussen Alice en Bob die worden aangevallen door een derde partij, ‘Charlie’, met behulp van een kloonmachine, stelt ons resultaat drempels in voor de EPR-sturing tussen Alice en Bob om EPR-sturing tussen Alice en Charlie uit te sluiten”, vertelt hij. Natuurkunde wereld.
“Het niet-klonen van kwantumsturing is een gevolg van kwantumsuperpositie, net als de oorspronkelijke niet-klonen- en no-go-stellingen,” voegt hij eraan toe, “en ons bewijs is gebaseerd op het zogenaamde niet-uitzenden-theorema, dat is een uitgebreid systeem zonder klonen van ‘gemengde’ toestanden (in samengestelde systemen).”
De onderzoekers onderzoeken nu hoe de mate van ‘kwantumness’ andere no-go-stellingen beïnvloedt. “We bestuderen protocollen voor het delen van non-lokaliteit en andere soorten kwantuminformatie tussen meerdere waarnemers in het kader van kwantumklonen”, onthult Zhang. “Een dergelijk onderwerp van het delen van non-lokaliteit en informatie is van fundamenteel belang in de kwantuminformatiewetenschap.”
Het werk is gedetailleerd in Chinese natuurkundebrieven.
