Sterowanie kwantowe – dziwne, nielokalne zjawisko podobne do splątania kwantowego – nie może być doskonale odtworzone przez żadne wspólne działanie sterowanego układu i układu zewnętrznego. To nowe twierdzenie o „nie klonowaniu” jest wynikiem prac badaczy z Chin, którzy badali sytuację, która pojawia się, gdy jedna z dwóch stron dzielących stan kwantowy nie ma zaufania do źródła cząstek kwantowych wykorzystywanych do wytworzenia tego stanu. Odkrycie to jest nie tylko ważne dla podstaw fizyki, ale może mieć także konsekwencje dla kryptografii kwantowej i obliczeń kwantowych.
Konwencjonalne komputery przechowują informacje w postaci „bitów” o wartości 1 lub 0. Komputery kwantowe natomiast przechowują informacje w dwupoziomowych układach kwantowych, takich jak stany polaryzacji poziomej i pionowej fotonów lub „spin up” i „ spin down” – stany elektronów. Stany tych bitów kwantowych, czyli kubitów, nie są ograniczone do 0 i 1; mogą również istnieć w kombinacji pośredniej zwanej superpozycją. Jednak pełnego stanu układu kwantowego nigdy nie można w pełni poznać, co oznacza, że idealne powielanie kubitów jest zabronione. Jest to tak zwane twierdzenie o „nie klonowaniu”, które stanowi podstawę kryptografii kwantowej.
Inną ważną zasadą jest to, że dwa lub więcej kubitów może się splątać, co oznacza, że są ze sobą znacznie bliższe, niż pozwala na to fizyka klasyczna. Kiedy dwa kubity są splątane, pomiar stanu jednego z nich automatycznie informuje o stanie drugiego, niezależnie od tego, jak daleko od siebie mogą się znajdować. Na przykład, jeśli znasz spin jednej cząstki, możesz określić spin drugiej.
Albert Einstein uznał ten aspekt splątania za niepokojący, ponieważ sugerował, że splątane cząstki mogą oddziaływać na siebie nawzajem w sposób nielokalny – coś, co nazwał „upiornym działaniem na odległość”. W artykule opublikowanym w 1935 roku on i jego koledzy Boris Podolski i Nathan Rosen argumentowali przeciwko tej formie nielokalności, która od ich inicjałów stała się znana jako paradoks EPR. Późniejsze badania wykazały jednak, że ich argument jest błędny: 2022 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki udał się do trójki eksperymentatorów, którzy opierając się na pracach zmarłego teoretyka Johna Stewarta Bella, wykazali, że splątanie (a tym samym nielokalność) jest rzeczywiście częścią naszego świata fizycznego.
„Zasada zakazu klonowania w sterowaniu”
Jednak splątanie kwantowe nie jest jedyną formą nielokalności w teorii kwantów. Inny typ, znany jako sterowanie kwantowe, został po raz pierwszy wprowadzony przez Erwina Schrödingera jako uogólnienie paradoksu EPR. W splątaniu kwantowym obie strony zaangażowane w transakcję kwantową (tradycyjnie znane jako Alicja i Bob) ufają źródłu cząstek kwantowych wykorzystywanych do generowania odpowiednich stanów. Sterowanie kwantowe wprowadza asymetrię do tej konfiguracji: teraz tylko jedno źródło (na przykład Alice) jest godne zaufania. Dzięki temu Alicja może „sterować” stanem cząstek obserwowanych przez Boba, co oznacza, że pomiary dokonywane na jej połowie splątanej pary cząstek wpływają na stan połowy Boba w sposób, którego nie da się klasycznie wytłumaczyć.
„Zasada sterująca zakazu klonowania” zaprezentowana w nowej pracy pogłębia nasze zrozumienie tej formy nielokalności. „Oryginalne twierdzenie o zakazie klonowania stwierdza, że żadna operacja fizyczna nie jest w stanie idealnie skopiować nieznanego stanu kwantowego” – wyjaśnia Fu-Lin Zhang, który kierował zespołem badaczy w Wydział Fizyki Uniwersytetu w Tianjin oraz Cherna w Instytucie Matematyki na Uniwersytecie Nankai. „Nasze odkrycie wskazuje, że sterowania kwantowego w znanym stanie nie można idealnie skopiować, jeśli stan jest„ zbyt kwantowy ”.
Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger zdobywcami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2022
Naukowcy odkryli również, że blisko powiązany typ korelacji kwantowej zwany sterowaniem EPR można częściowo sklonować. Sterowanie EPR istnieje w stanach, które można wykorzystać do przekonującego zademonstrowania sterowania kwantowego, nawet jeśli obserwator stanów sterowanych nie ufa mierniczemu. Można zatem uznać, że jest to „silniejsza” właściwość kwantowa niż sterowanie kwantowe, wyjaśnia Zhang. „W zadaniach związanych z informacją kwantową pomiędzy Alicją i Bobem zaatakowanych przez osobę trzecią, „Charlie”, przy użyciu maszyny do klonowania, nasz wynik wyznacza progi sterowania EPR między Alicją i Bobem, aby wykluczyć sterowanie EPR między Alicją i Charliem” – mówi Świat Fizyki.
„Zakaz klonowania sterowania kwantowego jest konsekwencją superpozycji kwantowej, podobnie jak oryginalne twierdzenia o zakazie klonowania i zakazie działania” – dodaje, „a nasz dowód opiera się na tak zwanym twierdzeniu o braku rozgłaszania, które jest następujące: rozszerzony system stanów „mieszanych” bez klonowania (w systemach złożonych).”
Naukowcy badają obecnie, w jaki sposób stopnie „kwantowości” wpływają na inne twierdzenia o niedopuszczalności. „Badamy protokoły udostępniania nielokalizacji i innych rodzajów informacji kwantowych pomiędzy wieloma obserwatorami w ramach klonowania kwantowego” – ujawnia Zhang. „Taki temat dzielenia się nielokalnością i informacjami ma fundamentalne znaczenie w nauce o informacji kwantowej”.
Praca jest szczegółowo opisana w Chińskie litery fizyki.
