Mot en mätteori i QFT: "Omöjliga" kvantmätningar är möjliga men inte idealiska

Mot en mätteori i QFT: "Omöjliga" kvantmätningar är möjliga men inte idealiska

Tidsstämpel: 27 februari 2024 5:27

Nicolas Gisin och Flavio Del Santo

Group of Applied Physics, University of Geneva, 1211 Genève, Schweiz
Constructor University, Genève, Schweiz

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Naiva försök att sätta ihop relativitetsteori och kvantmätningar leder till signalering mellan rymdliknande separerade regioner. I QFT är dessa kända som $textit{omöjliga mått}$. Vi visar att samma problem uppstår inom icke-relativistisk kvantfysik, där gemensamma icke-lokala mätningar (dvs mellan system som hålls rumsligt åtskilda) i allmänhet leder till signalering, medan man skulle förvänta sig ingen signalering (baserad till exempel på $textit{-principen) av icke-fysisk kommunikation}$). Detta väcker frågan: Vilka icke-lokala kvantmätningar är fysiskt möjliga? Vi granskar och utvecklar vidare en icke-relativistisk kvantinformationsmetod som utvecklats oberoende av de omöjliga mätningarna i QFT, och visar att dessa två har tagit itu med praktiskt taget samma problem. Den icke-relativistiska lösningen visar att alla icke-lokala mätningar är $lokaliserbara$ (dvs. de kan utföras på avstånd utan att bryta mot no-signalering) men de (i) kan kräva godtyckligt stora intrasslade resurser och (ii) kan i allmänhet inte vara $ideal$, dvs är inte omedelbart reproducerbara. Dessa överväganden kan hjälpa till att vägleda utvecklingen av en komplett teori för mätning i QFT.

Mot en mätteori i QFT: "Omöjliga" kvantmätningar är möjliga men inte idealisk PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Utvald bild: "Omöjliga mätningar" är också ett problem inom icke-relativistisk kvantfysik. Genom att använda intrasslade tillstånd som resurser är det dock möjligt att utföra icke-lokala mätningar utan att bryta mot no-signalering. Ändå kan dessa mätningar inte vara idealiska.

Populär sammanfattning

Naiva försök att slå samman relativitetsteori med kvantmätningar leder teoretiskt till omedelbar kommunikation över avlägsna regioner. Detta arbete visar att ett sådant problem, känt inom kvantfältteorin (QFT) som "omöjliga mätningar", även förekommer inom icke-relativistisk kvantfysik, där vissa gemensamma mätningar på rumsligt separerade system skulle kunna möjliggöra signalering även om ingen fysisk bärare färdas mellan partierna.
Forskning inom icke-relativistisk kvantinformation har liknat de dilemman som ses i QFT, vilket tyder på en gemensam underliggande utmaning. Den avgörande frågan är att identifiera vilka icke-lokala (dvs. utförda på två eller flera system utan att föra dem på samma plats) kvantmätningar som är genomförbara utan att bryta principen om ingen signalering. Det visar sig att icke-lokala mätningar kan göras utan att bryta mot ingen-signalering, men kan inte alltid vara idealiska (dvs. de kan inte upprepas perfekt omedelbart). Dessutom kan de utföras till bekostnad av att använda ytterligare intrasslade tillstånd som resurser.
Dessa insikter är nyckeln till att förbättra vår förståelse av kvantmätning både i icke-relativistiska miljöer och i QFT, och knuffar oss närmare en enhetlig teori om kvantmätning.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] Lev Landau och Rudolf Peierls. "Erweiterung des Unbestimmtheitsprinzips für die relativistische Quantentheorie". Zeitschrift für Physik 69, 56–69 (1931).

[2] Paul Arthur Schilpp. "The library of living philosophers, volym 7. Albert Einstein: Filosof-vetenskapsman". Tudor Publishing Company. (1949).

[3] KE Hellwig och K Kraus. "Formell beskrivning av mätningar i lokal kvantfältteori". Physical Review D 1, 566 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.1.566

[4] Yakir Aharonov och David Z Albert. "Tillstånd och observerbara i relativistiska kvantfältsteorier". Physical Review D 21, 3316 (1980).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.21.3316

[5] Yakir Aharonov och David Z Albert. "Kan vi förstå mätprocessen i relativistisk kvantmekanik?". Physical Review D 24, 359 (1981).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.24.359

[6] Thiago Guerreiro, Bruno Sanguinetti, Hugo Zbinden, Nicolas Gisin och Antoine Suarez. "En-foton rymdliknande antibunching". Physics Letters A 376, 2174–2177 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physleta.2012.05.019

[7] John Earman och Giovanni Valente. "Relativistisk kausalitet i algebraisk kvantfältteori". International Studies in the Philosophy of Science 28, 1–48 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 02698595.2014.915652

[8] Rafael D Sorkin. "Omöjliga mätningar på kvantfält". In Directions in general relativity: Proceedings of the 1993 International Symposium, Maryland. Volym 2, sid 293–305. (1993).

[9] Doreen Fraser och Maria Papageorgiou. "Anmärkning om episoder i historien om modellering av mätningar i lokala rumtidsregioner med QFT". The European Physical Journal H 48, 14 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1140/​epjh/​s13129-023-00064-1

[10] Maria Papageorgiou och Doreen Fraser. "Eliminering av det" omöjliga": Nyligen framsteg inom lokal mätteori för kvantfältteori" (2023). arXiv:2307.08524.
arXiv: 2307.08524

[11] Leron Borsten, Ian Jubb och Graham Kells. "Omöjliga mätningar återbesöks". Physical Review D 104, 025012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.104.025012

[12] Jag Jubb. "Kausaltillståndsuppdateringar i verklig skalär kvantfältteori". Physical Review D 105, 025003 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.105.025003

[13] Emma Albertini och Ian Jubb. "Är idealiska mätningar av verkliga skalära fält kausala?" (2023).

[14] Christopher J Fewster och Rainer Verch. "Kvantumfält och lokala mätningar". Communications in Mathematical physics 378, 851–889 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-020-03800-6

[15] Christopher J Fewster. "Ett allmänt samvariant mätschema för kvantfältteori i krökta rumstider". Pågående och visioner i kvantteori i synen på gravitationen: Överbrygga grunderna för fysik och matematik. Sidorna 253–268. Springer (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-38941-3_11

[16] Henning Bostelmann, Christopher J Fewster och Maximilian H Ruep. "Omöjliga mätningar kräver omöjlig apparatur". Physical Review D 103, 025017 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.103.025017

[17] Christopher J Fewster och Rainer Verch. "Mätning i kvantfältteori" (2023). arXiv:2304.13356.
arXiv: 2304.13356

[18] Nicolas Gisin. "Kvantumchans: icke-lokalitet, teleportering och andra kvantunderverk". Springer. (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-319-05473-5

[19] Yakir Aharonov, David Z Albert och Lev Vaidman. "Mätningsprocess i relativistisk kvantteori". Physical Review D 34, 1805 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.34.1805

[20] Sandu Popescu och Lev Vaidman. "Kausalitetsbegränsningar för icke-lokala kvantmätningar". Physical Review A 49, 4331 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.49.4331

[21] Berry Groisman och Lev Vaidman. "Icke-lokala variabler med egentillstånd för produkttillstånd". Journal of Physics A: Mathematical and General 34, 6881 (2001).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​34/​35/​313

[22] Berry Groisman och Benni Reznik. "Mätningar av semilokala och icke-maximalt intrasslade tillstånd". Physical Review A 66, 022110 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.022110

[23] Lev Vaidman. "Omedelbar mätning av icke-lokala variabler". Physical Review Letters 90, 010402 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.90.010402

[24] Berry Groisman, Benni Reznik och Lev Vaidman. "Omedelbara mätningar av icke-lokala variabler". Journal of Modern Optics 50, 943–949 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 09500340308234543

[25] SR Clark, AJ Connor, D Jaksch och S Popescu. "Entanglement konsumtion av momentana icke-lokala kvantmätningar". New Journal of Physics 12, 083034 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​8/​083034

[26] Salman Beigi och Robert König. "Förenklad momentan icke-lokal kvantberäkning med applikationer för positionsbaserad kryptografi". New Journal of Physics 13, 093036 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​13/​9/​093036

[27] Alvin Gonzales och Eric Chitambar. "Gräser för omedelbar icke-lokal kvantberäkning". IEEE Transactions on Information Theory 66, 2951–2963 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2950190

[28] David Beckman, Daniel Gottesman, Michael A Nielsen och John Preskill. "Kausala och lokaliserbara kvantoperationer". Physical Review A 64, 052309 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.052309

[29] Nicolas Gisin. "Entanglement 25 år efter kvantteleportation: Testa gemensamma mätningar i kvantnätverk". Entropy 21, 325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.3390 / e21030325

[30] Flavio Del Santo, Jakub Czartowski, Karol Życzkowski och Nicolas Gisin. ”Iso-trasslade baser och fogmått” (2023). arXiv:2307.06998.
arXiv: 2307.06998

[31] Sébastian de Bone, Runsheng Ouyang, Kenneth Goodenough och David Elkouss. "Protokoll för att skapa och destillera flerdelade GHZ-tillstånd med Bell-par". IEEE Transactions on Quantum Engineering 1, 1–10 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3044179

[32] Tein van der Lugt. "Relativistiska gränser för kvantoperationer" (2021). arXiv:2108.05904.
arXiv: 2108.05904

[33] Tilo Eggeling, Dirk Schlingemann och Reinhard F Werner. "Semikausala operationer är semilokaliserbara". Europhysics Letters 57, 782 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1209 / EPL / i2002-00579-4

[34] Eric G Cavalcanti, Rafael Chaves, Flaminia Giacomini och Yeong-Cherng Liang. "Färska perspektiv på grunderna för kvantfysik". Nature Reviews Physics 5, 323–325 (2023).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s42254-023-00586-z

[35] Eric Chitambar, Debbie Leung, Laura Mančinska, Maris Ozols och Andreas Winter. "Allt du alltid velat veta om LOCC (men var rädd att fråga)". Communications in Mathematical Physics 328, 303–326 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-014-1953-9

[36] Berry Groisman och Sergii Strelchuk. "Optimal mängd intrassling för att särskilja kvanttillstånd omedelbart". Physical Review A 92, 052337 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.92.052337

[37] Giorgos Eftaxias, Mirjam Weilenmann och Roger Colbeck. "Gemensamma mätningar i boxworld och deras roll i informationsbehandling" (2022). arXiv:2209.04474.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.108.062212
arXiv: 2209.04474

[38] Albert Much och Rainer Verch. "Superluminala lokala operationer i kvantfältteori: ett test för pingisboll" (2023). arXiv:2308.16673.
https: / / doi.org/ 10.3390 / universe9100447
arXiv: 2308.16673

[39] Joseph-Maria Jauch och Constantin Piron. "Om strukturen för kvantala propositionssystem". Helvetica Physica Acta 42, 842-848 (1969).

[40] Constantin Piron. "Axiomatique quantique". Helvetica Physica Acta 37, 439 (1964).

[41] N Gisin. "Egenskapsgittret för rumsligt separerade kvantsystem". Reports on Mathematical Physics 23, 363–371 (1986).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0034-4877(86)90031-5

Citerad av

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal