Квантове керування – дивне, нелокальне явище, подібне до квантової заплутаності – не може бути ідеально відтворене жодною спільною операцією між керованою системою та зовнішньою системою. Ця нова теорема про «не клонування» є результатом роботи дослідників у Китаї, які вивчали ситуацію, яка виникає, коли одна з двох сторін, які мають квантовий стан, не довіряє джерелу квантових частинок, які використовуються для створення цього стану. Окрім важливості для фундаментальної фізики, відкриття може мати наслідки для квантової криптографії та квантових обчислень.
Звичайні комп’ютери зберігають інформацію як «біти», які мають значення 1 або 0. Квантові комп’ютери, навпаки, зберігають інформацію у дворівневих квантових системах, таких як стани горизонтальної та вертикальної поляризації фотонів або «розкручування» та « спин вниз” стани електронів. Стани цих квантових бітів, або кубітів, не обмежені 0 і 1; вони також можуть існувати в проміжній комбінації, відомій як суперпозиція. Однак повний стан квантової системи ніколи не може бути повністю відомий, а це означає, що ідеальне дублювання кубітів заборонено. Це так звана теорема про заборону клонування, яка лежить в основі квантової криптографії.
Інший важливий принцип полягає в тому, що два або більше кубітів можуть заплутатися, тобто вони мають набагато більш тісний зв’язок, ніж це допускає класична фізика. Коли два кубіти переплутані, вимірювання стану одного з них автоматично повідомляє вам про стан другого, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного. Наприклад, якщо вам відомий спін однієї частинки, ви можете визначити спин іншої.
Альберт Ейнштейн вважав цей аспект заплутаності тривожним, оскільки це означало, що заплутані частинки можуть впливати на стан одна одної нелокальним чином – те, що він назвав «моторошною дією на відстані». У статті, опублікованій у 1935 році, він і його колеги Борис Подольський і Натан Розен виступили проти цієї форми нелокальності, і вона стала відомою як парадокс EPR за їхніми ініціалами. Пізніше дослідження, однак, показало, що їхні аргументи невірні: 2022 Нобелівська премія з фізики пішов до тріо експериментаторів, які, спираючись на роботу покійного теоретика Джона Стюарта Белла, продемонстрували, що заплутаність (і, отже, нелокальність) справді є частиною нашого фізичного світу.
Принцип «керування без клонування»
Однак квантова заплутаність — не єдина форма нелокальності в квантовій теорії. Інший тип, відомий як квантове управління, вперше був представлений Ервіном Шредінгером як узагальнення парадоксу ЕПР. У квантовій заплутаності дві сторони, які беруть участь у квантовій транзакції (традиційно відомі як Аліса та Боб), обидві довіряють джерелу квантових частинок, які використовуються для створення їхніх відповідних станів. Квантове управління вносить асиметрію в цю установку: тепер лише одне джерело (наприклад, Аліси) є надійним. Це дозволяє Алісі «керувати» станом частинок, які спостерігає Боб, а це означає, що вимірювання, які вона проводить на своїй половині заплутаної пари частинок, впливають на стан половини Боба таким чином, що неможливо пояснити класичним способом.
«Принцип керування без клонування», продемонстрований у новій роботі, додає нашого розуміння цієї форми нелокальності. «Оригінальна теорема про заборону клонування стверджує, що жодна фізична операція не може ідеально скопіювати невідомий квантовий стан», — пояснює Фу-Лінь Чжан, який очолював групу дослідників у Факультет фізики Тяньцзінського університету і Інститут математики Черна при Нанкайському університеті. «Наше відкриття вказує на те, що квантове управління у відомому стані не може бути ідеально скопійоване, якщо стан «занадто квантовий».
Нобелівську премію з фізики 2022 року отримають Ален Аспект, Джон Клаузер і Антон Зейлінгер
Дослідники також виявили, що тісно пов’язаний тип квантової кореляції, званий керуванням ЕПР, може бути частково клонований. Керування EPR існує в станах, які можна використовувати для переконливої демонстрації квантового керування, навіть якщо спостерігач за керованими станами не довіряє вимірювачу. Тому його можна розглядати як «сильнішу» квантову властивість, ніж квантове управління, пояснює Чжан. «У квантових інформаційних завданнях між Алісою та Бобом, які атакує третя сторона, «Чарлі», за допомогою машини для клонування, наш результат встановлює порогові значення для керування EPR між Алісою та Бобом, щоб виключити керування EPR між Алісою та Чарлі», — розповідає він. Світ фізики.
«Відсутність клонування квантового керування є наслідком квантової суперпозиції, як і оригінальні теореми про заборону клонування та заборону, — додає він, — і наш доказ базується на так званій теоремі про заборону трансляції, яка розширена система без клонування «змішаних» станів (у складених системах)».
Зараз дослідники вивчають, як ступені «квантової» впливають на інші заборонені теореми. «Ми вивчаємо протоколи обміну нелокальністю та іншими типами квантової інформації між кількома спостерігачами в рамках квантового клонування», — розповідає Чжан. «Така тема обміну нелокальністю та інформацією є фундаментальною для квантової інформатики».
Робота детально описана в Китайські літери з фізики.
