Квантовое управление — странное, нелокальное явление, похожее на квантовую запутанность — не может быть идеально воспроизведено какой-либо совместной операцией между управляемой системой и внешней системой. Эта новая теорема о запрете клонирования является результатом работы китайских исследователей, изучавших ситуацию, возникающую, когда одна из двух сторон, разделяющих квантовое состояние, не доверяет источнику квантовых частиц, используемому для создания этого состояния. Это открытие не только важно для фундаментальной физики, но и может иметь значение для квантовой криптографии и квантовых вычислений.
Обычные компьютеры хранят информацию в виде «битов», имеющих значение либо 1, либо 0. Квантовые компьютеры, напротив, хранят информацию в двухуровневых квантовых системах, таких как состояния горизонтальной и вертикальной поляризации фотонов или «раскрутка вверх» и « «спин вниз» состояния электронов. Состояния этих квантовых битов или кубитов не ограничены 0 и 1; они также могут существовать в промежуточной комбинации, известной как суперпозиция. Однако полное состояние квантовой системы никогда не может быть полностью известно, а это означает, что идеальное дублирование кубитов запрещено. Это так называемая теорема о запрете клонирования, которая лежит в основе квантовой криптографии.
Другой важный принцип заключается в том, что два или более кубита могут запутаться, а это означает, что они имеют гораздо более тесную связь, чем это допускает классическая физика. Когда два кубита запутались, измерение состояния одного из них автоматически сообщает вам о состоянии второго, независимо от того, насколько далеко они могут быть друг от друга. Например, если вы знаете спин одной частицы, вы можете определить спин другой.
Альберт Эйнштейн нашел этот аспект запутанности тревожным, так как он подразумевал, что запутанные частицы могут влиять на состояние друг друга нелокальным образом — то, что он назвал «призрачным действием на расстоянии». В статье, опубликованной в 1935 году, он и его коллеги Борис Подольский и Натан Розен выступили против этой формы нелокальности, и по их инициалам она стала известна как парадокс ЭПР. Однако более поздние исследования показали, что их аргумент неверен: Нобелевская премия по физике 2022 г. отправился к трем экспериментаторам, которые, основываясь на работе покойного теоретика Джона Стюарта Белла, продемонстрировали, что запутанность (и, следовательно, нелокальность) действительно является частью нашего физического мира.
«Руководящий принцип отказа от клонирования»
Однако квантовая запутанность — не единственная форма нелокальности в квантовой теории. Другой тип, известный как квантовое управление, был впервые введен Эрвином Шредингером как обобщение парадокса ЭПР. В квантовой запутанности две стороны, участвующие в квантовой транзакции (известные традиционно как Алиса и Боб), доверяют источнику квантовых частиц, используемых для генерации их соответствующих состояний. Квантовое управление вносит в эту установку асимметрию: теперь только один источник (например, Алисы) заслуживает доверия. Это позволяет Алисе «управлять» состоянием частиц, наблюдаемых Бобом, а это означает, что измерения, которые она делает на своей половине запутанной пары частиц, влияют на состояние половины Боба таким образом, который не может быть объяснен классически.
«Принцип запрета клонирования», продемонстрированный в новой работе, дополняет наше понимание этой формы нелокальности. «Исходная теорема о запрете клонирования утверждает, что никакая физическая операция не может полностью скопировать неизвестное квантовое состояние», — объясняет Фу-Линь Чжан, который возглавлял группу исследователей в Факультет физики Тяньцзиньского университета и Институт математики Черна в Нанкайском университете. «Наше открытие указывает на то, что квантовое управление в известном состоянии не может быть идеально скопировано, если состояние «слишком квантовое».
Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике 2022 года.
Исследователи также обнаружили, что близкородственный тип квантовой корреляции, называемый управлением ЭПР, может быть частично клонирован. ЭПР-управление существует в состояниях, которые можно использовать для убедительной демонстрации квантового управления, даже если наблюдатель управляемых состояний не доверяет измерителю. Поэтому его можно рассматривать как «более сильное» квантовое свойство, чем квантовое управление, объясняет Чжан. «В квантовых информационных задачах между Алисой и Бобом, атакованных третьей стороной, «Чарли», с использованием клонирующей машины, наш результат устанавливает пороговые значения для управления ЭПР между Алисой и Бобом, чтобы исключить управление ЭПР между Алисой и Чарли», — говорит он. Мир физики.
«Запрет клонирования квантового управления является следствием квантовой суперпозиции, как и исходные теоремы о запрете клонирования и запрета на использование, — добавляет он, — и наше доказательство основано на так называемой теореме о запрете вещания, которая расширенная система «смешанных» состояний без клонирования (в составных системах)».
Сейчас исследователи изучают, как степени «квантовости» влияют на другие отрицательные теоремы. «Мы изучаем протоколы обмена нелокальностью и другими типами квантовой информации между несколькими наблюдателями в рамках квантового клонирования», — рассказывает Чжан. «Такая тема совместного использования нелокальности и информации является фундаментальной в квантовой информатике».
Работа подробно описана в Письма о китайской физике.
