Kvantstyrning – ett märkligt, icke-lokalt fenomen som liknar kvantintrassling – kan inte replikeras perfekt genom någon gemensam operation mellan systemet som styrs och ett externt system. Denna nya "no-cloning"-sats är resultatet av arbete av forskare i Kina som studerade situationen som uppstår när en av två parter som delar ett kvanttillstånd inte litar på källan till kvantpartiklar som används för att skapa det tillståndet. Förutom att det är viktigt för grundläggande fysik kan fyndet ha konsekvenser för kvantkryptografi och kvantberäkning.
Konventionella datorer lagrar information som "bitar" som har ett värde på antingen 1 eller 0. Kvantdatorer däremot lagrar information i tvånivåkvantsystem som fotoners horisontella och vertikala polarisationstillstånd eller "spin up" och " spin ner” tillstånd av elektroner. Tillstånden för dessa kvantbitar, eller kvantbitar, är inte begränsade till 0 och 1; de kan också existera i en mellankombination som kallas en superposition. Det fullständiga tillståndet för ett kvantsystem kan dock aldrig vara helt känt, vilket betyder att perfekt duplicering av kvantbitar är förbjuden. Detta är den så kallade "no-cloning"-satsen, och den utgör grunden för kvantkryptografi.
En annan viktig princip är att två eller flera qubits kan trassla in sig, vilket innebär att de har en mycket närmare relation än vad klassisk fysik tillåter. När två qubits är intrasslade, mäter tillståndet för en av dem automatiskt tillståndet för den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de kan vara. Om du till exempel känner till en partikels spinn kan du bestämma den andras.
Albert Einstein fann denna aspekt av intrassling oroande, eftersom den antydde att intrasslade partiklar kunde påverka varandras tillstånd på ett icke-lokalt sätt – något han kallade "spöklik handling på avstånd". I en tidning som publicerades 1935 argumenterade han och hans kollegor Boris Podolsky och Nathan Rosen mot denna form av icke-lokalitet, och den blev känd som EPR-paradoxen efter deras initialer. Senare forskning visade dock att deras argument är felaktigt: den 2022 Nobelpriset i fysik gick till en trio experimentalister som, med utgångspunkt i arbete av den bortgångne teoretikern John Stewart Bell, visade att förveckling (och därmed icke-lokalitet) verkligen är en del av vår fysiska värld.
Principen om att styra ingen kloning
Kvantförveckling är dock inte den enda formen av icke-lokalitet inom kvantteorin. En annan typ, känd som kvantstyrning, introducerades först av Erwin Schrödinger som en generalisering av EPR-paradoxen. När det gäller kvantintrassling litar de två parter som är inblandade i en kvanttransaktion (traditionellt känd som Alice och Bob), båda på källan till kvantpartiklar som används för att generera sina respektive tillstånd. Quantum steering introducerar en asymmetri i denna uppställning: nu är bara en källa (t.ex. Alice) pålitlig. Detta gör det möjligt för Alice att "styra" tillståndet för de partiklar som observerats av Bob, vilket innebär att mätningar hon gör på sin halva av det intrasslade partikelparet påverkar tillståndet för Bobs halva på ett sätt som inte kan förklaras klassiskt.
Principen om att "styra ingen kloning" som visas i det nya verket bidrar till vår förståelse av denna form av icke-lokalitet. "Det ursprungliga no-cloning theoremet säger att ingen fysisk operation kan perfekt kopiera ett okänt kvanttillstånd," förklarar Fu-Lin Zhang, som ledde ett team av forskare vid Institutionen för fysik vid Tianjin University och Chern Institute of Mathematics vid Nankai University. "Vårt fynd indikerar att kvantstyrningen i ett känt tillstånd inte kan kopieras perfekt om tillståndet är "för kvantum".
Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger vinner Nobelpriset i fysik 2022
Forskarna fann också att en närbesläktad typ av kvantkorrelation som kallas EPR-styrning kan delvis klonas. EPR-styrning finns i stater som kan användas för att på ett övertygande sätt demonstrera kvantstyrning även om observatören av de styrda tillstånden inte litar på mätaren. Det kan därför betraktas som en "starkare" kvantegenskap än kvantstyrning, förklarar Zhang. "I kvantinformationsuppgifter mellan Alice och Bob attackerade av en tredje part, 'Charlie', med hjälp av en kloningsmaskin, sätter vårt resultat trösklar för EPR-styrningen mellan Alice och Bob för att utesluta EPR-styrning mellan Alice och Charlie," säger han Fysikvärlden.
"Ingen kloning av kvantstyrning är en konsekvens av kvantöverlagring, liksom de ursprungliga no-cloning och no-go-satserna," tillägger han, "och vårt bevis är baserat på den så kallade no-broadcasting-satsen, som är ett utökat system utan kloning av "blandade" tillstånd (i sammansatta system).
Forskarna undersöker nu hur grader av "kvantitet" påverkar andra no-go-satser. "Vi studerar protokoll för att dela icke-lokalitet och andra typer av kvantinformation mellan flera observatörer inom ramen för kvantkloning," avslöjar Zhang. "Ett sådant ämne att dela icke-lokalitet och information är grundläggande inom kvantinformationsvetenskap."
Arbetet är detaljerat i Kinesiska fysikbokstäver.
