Kontekstualność w układach złożonych: rola splątania w twierdzeniu Kochena-Speckera

Kontekstualność w układach złożonych: rola splątania w twierdzeniu Kochena-Speckera

Wiktoria J Wright1 i Ravi Kunjwal2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Instytut Nauki i Technologii w Barcelonie, 08860 Castelldefels, Hiszpania
2Centre for Quantum Information and Communication, Ecole polytechnique de Bruxelles, CP 165, Université libre de Bruxelles, 1050 Bruksela, Belgia

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Twierdzenie Kochena-Speckera (KS) ujawnia nieklasyczność pojedynczych układów kwantowych. Natomiast twierdzenie i splątanie Bella dotyczą nieklasyczności złożonych układów kwantowych. W związku z tym, w przeciwieństwie do niezgodności, splątanie i nielokalność Bella nie są konieczne do wykazania kontekstualności KS. Jednak tutaj stwierdzamy, że w przypadku systemów wielokubitowych zarówno splątanie, jak i nielokalność są niezbędne do udowodnienia twierdzenia Kochena-Speckera. Po pierwsze, pokazujemy, że pomiary niesplątane (ścisły nadzbiór pomiarów lokalnych) nigdy nie mogą dać logicznego (niezależnego od stanu) dowodu twierdzenia KS dla systemów wielokubitowych. W szczególności niesplątane, ale nielokalne pomiary — których stany własne wykazują „nielokalność bez splątania” — są niewystarczające dla takich dowodów. Oznacza to również, że udowodnienie twierdzenia Gleasona na systemie wielokubitowym koniecznie wymaga splątanych projekcji, jak pokazał Wallach [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. Po drugie, pokazujemy, że stan wielokubitowy dopuszcza statystyczny (zależny od stanu) dowód twierdzenia KS wtedy i tylko wtedy, gdy może łamać nierówność Bella przy pomiarach rzutowych. Ustalamy również związek między splątaniem a twierdzeniami Kochena-Speckera i Gleasona bardziej ogólnie w systemach multiquditowych, konstruując nowe przykłady zbiorów KS. Na koniec omawiamy, w jaki sposób nasze wyniki rzucają nowe światło na rolę wielokubitowej kontekstowości jako zasobu w ramach paradygmatu obliczeń kwantowych z wtryskiem stanu.

[Osadzone treści]

Bardzo małe układy fizyczne, takie jak fotony światła, zachowują się w sposób sprzeczny z teoriami fizyków stosowanymi przed pojawieniem się teorii kwantowej. Teoria kwantowa została opracowana w celu opisania tych bardzo małych systemów i robi to z dużym powodzeniem. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie teorie poprzedzające teorię kwantową, często nazywane teoriami klasycznymi, nie mają kontekstu. Teoria jest niekontekstualna, jeśli można założyć, że każda obserwowalna właściwość systemu, taka jak jego położenie, ma określoną wartość przez cały czas, tak że kiedykolwiek i jakkolwiek mierzona jest ta właściwość, można znaleźć tę wartość. Twierdzenie Kochena-Speckera pokazuje, że przewidywania teorii kwantowej nie mogą być wyjaśnione w sposób niekontekstowy.

Teoria kwantowa ma również inne główne różnice w stosunku do teorii klasycznych, z dwoma wybitnymi przykładami, takimi jak nielokalność Bella i splątanie. W przeciwieństwie do opisanej powyżej kontekstualności Kochena-Speckera, która obejmuje pojedynczy układ kwantowy, nielokalność Bella i splątanie są właściwościami występującymi tylko wtedy, gdy razem badamy wiele układów kwantowych. W tej pracy pokazujemy jednak, że dla systemów wielu kubitów (jak w komputerze kwantowym) zarówno nielokalność Bella, jak i splątanie są niezbędne dla obecności kontekstualności Kochena-Speckera.

Oprócz znaczenia dla podstaw fizyki omawiamy, w jaki sposób nasze odkrycia mogą prowadzić do lepszego zrozumienia przewagi kwantowej w obliczeniach kwantowych. Przewaga kwantowa musi wynikać z różnic między fizyką kwantową i fizyką klasyczną opisującą odpowiednio komputery kwantowe i klasyczne. Dlatego zrozumienie nieklasyczności badanych przez nas systemów wielokubitowych przedstawia ścieżkę wykorzystania mocy przewagi kwantowej.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] Erwin Schrödinger. Omówienie relacji prawdopodobieństwa między rozdzielonymi systemami. W Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, tom 31, strony 555–563. Cambridge University Press, 1935. doi:10.1017/​S0305004100013554.
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100013554

[2] Noah Linden i Sandu Popescu. Dobra dynamika kontra zła kinematyka: czy splątanie jest potrzebne do obliczeń kwantowych? fizyka Lett., 87:047901, 2001. doi:10.1103/​PhysRevLett.87.047901.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.87.047901

[3] Animesh Datta i Guifre Vidal. Rola splątania i korelacji w obliczeniach kwantowych stanu mieszanego. fizyka 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 i Joseph Emerson. Ujemne quasi-prawdopodobieństwo jako źródło obliczeń kwantowych. 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] Marka Howarda, Joela Wallmana, Victora Veitcha i Josepha Emersona. Kontekstowość zapewnia „magię” obliczeń kwantowych. Natura, 510(7505):351–355, 2014. doi:10.1038/​natura13460.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature13460

[6] Claudio Carmeli, Teiko Heinosaari i Alessandro Toigo. Kwantowe kody swobodnego dostępu i niezgodność pomiarów. 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 i Andreas Winter. Poprawa klasycznej komunikacji bez błędów za pomocą splątania. fizyka Lett., 104:230503, 2010. doi:10.1103/​PhysRevLett.104.230503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.230503

[8] Shiv Akshar Yadavalli i Ravi Kunjwal. Kontekstualność w klasycznej, jednorazowej komunikacji wspomaganej splątaniem. arXiv:2006.00469, 2020. doi:10.48550/​arXiv.2006.00469.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2006.00469
arXiv: 2006.00469

[9] Máté Farkas, Maria Balanzó-Juandó, Karol Łukanowski, Jan Kołodyński i Antonio Acín. Nielokalność Bella nie jest wystarczająca do zapewnienia bezpieczeństwa standardowych, niezależnych od urządzeń protokołów dystrybucji klucza kwantowego. fizyka Rev. Lett., 127:050503, 2021. doi:10.1103/​PhysRevLett.127.050503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.050503

[10] John Preskill. Obliczenia kwantowe w erze NISQ i nie tylko. 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 Biswas, Sergio Boixo i in. Supremacja kwantowa przy użyciu programowalnego procesora nadprzewodzącego. Natura, 574(7779):505–510, 2019. doi:10.1038/​s41586-019-1666-5.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[12] Simon Kochen i Ernst P Specker. Problem zmiennych ukrytych w mechanice kwantowej. J. Matematyka. 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 i Robert Raussendorf. Kontekstualność jako zasób dla modeli obliczeń kwantowych z kubitami. fizyka Rev. Lett., 119:120505, 2017. doi:10.1103/​PhysRevLett.119.120505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.120505

[14] Jana Bella. O paradoksie Einsteina-Podolskiego-Rosena. Fizyka, 1(RX-1376):195–200, 1964. doi:10.1103/​PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[15] John S. Bell. O problemie ukrytych zmiennych w mechanice kwantowej. Wielebny Mod. Phys., 38:447–452, 1966. doi:10.1103/​RevModPhys.38.447.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.38.447

[16] Andrzeja M. Gleasona. Miary na zamkniętych podprzestrzeniach przestrzeni Hilberta. Uniwersytet Indiany Matematyka J, 6:885, 1957. doi:10.1512/​iumj.1957.6.56050.
https: // doi.org/ 10.1512 / iumj.1957.6.56050

[17] Robert W Spekkens. Quasi-Quantization: klasyczne teorie statystyczne z epistemicznym ograniczeniem, strony 83–135. Springer Holandia, 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 i Robert W. Spekkens. Od twierdzenia Kochena-Speckera do nierówności niekontekstualnościowych bez założenia determinizmu. fizyka Lett., 115:110403, 2015. doi:10.1103/​PhysRevLett.115.110403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.110403

[19] Ravi Kunjwal i Robert W. Spekkens. Od statystycznych dowodów twierdzenia Kochena-Speckera do odpornych na szum nierówności niekontekstualności. fizyka 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 i Alexander S Shumovsky. Prosty test ukrytych zmiennych w systemach o spinie 1. fizyka Rev. Lett., 101:020403, 2008. doi:10.1103/​PhysRevLett.101.020403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.020403

[21] Robert W Spekkens. Kontekstowość dla preparatów, transformacji i nieostrych pomiarów. fizyka Rev. A, 71:052108, 2005. doi:10.1103/​PhysRevA.71.052108.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.052108

[22] Ravi Kunjwal i Sibasish Ghosh. Minimalny zależny od stanu dowód kontekstowości pomiaru dla kubitu. fizyka Rev. A, 89:042118, 2014. doi:10.1103/​PhysRevA.89.042118.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.042118

[23] Ravi Kunjwal. Kontekstualność wykraczająca poza twierdzenie Kochena-Speckera. arXiv:1612.07250, 2016. doi:10.48550/​arXiv.1612.07250.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1612.07250
arXiv: 1612.07250

[24] Paula Buscha. Stany kwantowe i uogólnione obserwable: prosty dowód twierdzenia Gleasona. Fiz. 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 i Joseph M Renes. Wyprowadzenia typu Gleasona zasady prawdopodobieństwa kwantowego dla pomiarów uogólnionych. Znaleziony. 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 i Stefan Weigert. Twierdzenie typu Gleasona dla kubitów oparte na mieszaninach pomiarów rzutowych. J. Fiz. A, 52:055301, 2019. doi:10.1088/​1751-8121/​aaf93d.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1751-8121/​aaf93d

[27] Nolan R Wallach. Niesplątane twierdzenie Gleasona. 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 i William K. Wootters. Nielokalność kwantowa bez splątania. fizyka Rev. A, 59:1070–1091, 1999. doi:10.1103/​PhysRevA.59.1070.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.59.1070

[29] David N. Mermin. Ukryte zmienne i dwa twierdzenia Johna Bella. Wielebny Mod. Phys., 65:803–815, 1993. doi:10.1103/​RevModPhys.65.803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.65.803

[30] Aszera Peresa. Dwa proste dowody twierdzenia Kochena-Speckera. J. Fiz. A, 24(4):L175, 1991. doi:10.1088/​0305-4470/​24/​4/​003.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​24/​4/​003

[31] Aszera Peresa. Niekompatybilne wyniki pomiarów kwantowych. fizyka Łotysz. 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 i Ana Belén Sainz. Kombinatoryczne podejście do nielokalności i kontekstualności. Komuna. Matematyka 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. Poza ramami Cabello-Severini-Winter: Zrozumienie kontekstu bez ostrości pomiarów. 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. Ramy hipergrafów dla nieredukowalnych nierówności niekontekstualności na podstawie logicznych dowodów twierdzenia Kochena-Speckera. Quantum, 4:219, 2020. doi:10.22331/​q-2020-01-10-219.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-01-10-219

[35] Ehud Hruszowski i Itamar Pitowski. Uogólnienia twierdzenia Kochana i Speckera oraz skuteczność twierdzenia Gleasona. Studia z historii i filozofii nauki, część B: Studia z historii i filozofii współczesnej fizyki, 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 i Dragomir Z Djokovic. Ortogonalne podstawy iloczynu czterech kubitów. J. Fiz. A, 50(39):395301, 2017. doi:10.1088/​1751-8121/​aa8546.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / aa8546

[37] Mateusz S. Leifer. Czy stan kwantowy jest rzeczywisty? Rozszerzony przegląd twierdzeń $psi$-ontologicznych. Quanta, 3(1):67–155, 2014. doi:10.12743/​quanta.v3i1.22.
https: / / doi.org/ 10.12743 / quanta.v3i1.22

[38] Matthew S Leifer i Owen JE Maroney. Maksymalnie epistemiczne interpretacje stanu kwantowego i kontekstualność. fizyka Rev. Lett., 110:120401, 2013. doi:10.1103/​PhysRevLett.110.120401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.120401

[39] Ravi Kunjwal. Twierdzenie Fine'a, niekontekstualność i korelacje w scenariuszu Speckera. fizyka 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 i Ana Belén Sainz. Prawie kwantowe korelacje są niezgodne z zasadą Speckera. 2:87. doi:10.22331/​q-2018-08-27-87.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-27-87

[41] Artur Dobra. Ukryte zmienne, wspólne prawdopodobieństwo i nierówności Bella. fizyka Lett., 48:291–295, 1982. doi:10.1103/​physrevlett.48.291.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.48.291

[42] Artur Dobra. Wspólne rozkłady, korelacje kwantowe i obserwable dojeżdżające. J. Matematyka. Phys., 23(7):1306-1310, 1982. doi:10.1063/​1.525514.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.525514

[43] Samsona Abramskiego i Adama Brandenburgera. Snop-teoretyczna struktura nielokalności i kontekstualności. 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 i Tobias Fritz. Entropiczne podejście do lokalnego realizmu i niekontekstualności. fizyka 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 i Antonio Acín. Tight Bell nierówności bez naruszenia kwantowego z kubitowych nierozszerzalnych baz produktów. fizyka Rev. A, 85(4):042113, 2012. doi:10.1103/​physreva.85.042113.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.85.042113

[46] Victorii J Wright i Raviego Kunjwala. Osadzenie Peresa. Repozytorium GitHub, 2021. Adres URL: https://​/​github.com/​vickyjwright/​embeddingperes.
https://​/​github.com/vickyjwright/​embeddingperes

[47] Daniel McNulty, Bogdan Pammer i Stefan Weigert. Wzajemnie obiektywne bazy produktów dla wielu quditów. J. Matematyka. 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 i Matthew F. Pusey. Jedynym niekontekstualnym modelem podteorii stabilizatora jest model Grossa. fizyka Rev. Lett., 129:120403, 2021 doi:10.1103/​PhysRevLett.129.120403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120403

[49] Daniela Gottesmana. Heisenbergowska reprezentacja komputerów kwantowych. W Group22: Proceedings of the XXII International Colloquium on Group Theoretical Methods in Physics, strony 32–43. 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] Scotta Aaronsona i Daniela Gottesmana. Ulepszona symulacja obwodów stabilizatora. fizyka Rev. A, 70:052328, 2004. doi:10.1103/​PhysRevA.70.052328.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[51] Adána Cabello, Simone Severini i Andreasa Wintera. Podejście grafowo-teoretyczne do korelacji kwantowych. fizyka Rev. Lett., 112:040401, 2014. doi:10.1103/​PhysRevLett.112.040401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.040401

[52] Reinharda F. Wernera. Stany kwantowe z korelacjami Einsteina-Podolskiego-Rosena dopuszczającymi model z ukrytą zmienną. fizyka Rev. A, 40:4277–4281, 1989. doi:10.1103/​PhysRevA.40.4277.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.40.4277

[53] Michał Rudy. Niezupełność, nielokalność i realizm: prolegomenon do filozofii mechaniki kwantowej. Oxford University Press, 1987.

[54] Tobias Fritz, Ana Belén Sainz, Remigiusz Augusiak, J Bohr Brask, Rafael Chaves, Anthony Leverrier i Antonio Acín. Lokalna ortogonalność jako wieloczęściowa zasada korelacji kwantowych. Komunikaty natury, 4(1):1–7, 2013. doi:10.1038/​ncomms3263.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3263

[55] Julien Degorre, Marc Kaplan, Sophie Laplante i Jérémie Roland. Złożoność komunikacyjna dystrybucji niesygnalizacyjnych. W Matematyczne podstawy informatyki 2009, strony 270–281, 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

Cytowany przez

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

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-01-20 13:15:18). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

On Serwis cytowany przez Crossref nie znaleziono danych na temat cytowania prac (ostatnia próba 2023-01-20 13:15:16).

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy