量子转向——一种类似于量子纠缠的奇怪的非局域现象——无法通过被转向系统和外部系统之间的任何联合操作来完美复制。这个新的“不可克隆”定理是中国研究人员的工作成果，他们研究了当共享量子态的两方之一不信任用于创建该状态的量子粒子来源时出现的情况。这一发现不仅对基础物理学很重要，还可能对量子密码学和量子计算产生影响。
传统计算机将信息存储为值为 1 或 0 的“位”。相比之下，量子计算机将信息存储在两级量子系统中，例如光子的水平和垂直偏振态或“自旋向上”和“自旋向下”状态的电子。这些量子位或量子位的状态不限于0和1；它们也可以以称为叠加的中间组合存在。然而，量子系统的完整状态永远无法被完全了解，这意味着量子位的完美复制是被禁止的。这就是所谓的“不可克隆”定理，它构成了量子密码学的基础。
另一个重要原理是两个或多个量子位可以纠缠在一起，这意味着它们的关系比经典物理学所允许的关系要密切得多。当两个量子位纠缠时，测量其中一个量子位的状态会自动告诉您第二个量子位的状态，无论它们相距多远。例如，如果您知道一个粒子的自旋，则可以确定另一个粒子的自旋。
阿尔伯特·爱因斯坦发现纠缠的这一方面令人不安，因为它意味着纠缠粒子可能以非局域方式影响彼此的状态——他称之为“幽灵般的远距离作用”。在 1935 年发表的一篇论文中，他和他的同事鲍里斯·波多尔斯基 (Boris Podolsky) 和内森·罗森 (Nathan Rosen) 反对这种形式的非定域性，并以他们名字的首字母缩写命名为 EPR 悖论。然而后来的研究表明他们的论点是错误的： 2022年诺贝尔物理学奖 三位实验学家以已故理论家约翰·斯图尔特·贝尔的工作为基础，证明了纠缠（以及非定域性）确实是我们物理世界的一部分。
“引导不可克隆原则”
不过，量子纠缠并不是量子理论中非局域性的唯一形式。另一种类型称为量子转向，由埃尔文·薛定谔首次提出，作为 EPR 悖论的推广。在量子纠缠中，参与量子交易的双方（传统上称为爱丽丝和鲍勃）都信任用于生成各自状态的量子粒子的来源。量子控制给这种设置带来了不对称性：现在只有一个来源（例如爱丽丝的）是值得信赖的。这使得爱丽丝能够“引导”鲍勃观察到的粒子状态，这意味着她对纠缠粒子对中她那一半所做的测量会以一种无法用经典方式解释的方式影响鲍勃那一半的状态。
新工作中展示的“引导非克隆原理”增加了我们对这种形式的非定域性的理解。 “最初的不可克隆定理指出，没有任何物理操作可以完美地复制未知的量子态，”解释道 张福林，他领导了一个研究团队 天津大学物理系 和 南开大学陈省身数学研究所。 “我们的发现表明，如果已知状态‘太量子化’，则无法完美复制已知状态下的量子转向。”
Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 获得 2022 年诺贝尔物理学奖
研究人员还发现，一种密切相关的量子关联类型（称为 EPR 转向）可以部分克隆。 EPR 导向存在于可用于令人信服地演示量子导向的状态，即使导向状态的观察者不信任测量者。张解释说，因此它可以被视为比量子转向“更强”的量子特性。 “在 Alice 和 Bob 之间的量子信息任务中，第三方‘查理’使用克隆机攻击，我们的结果为 Alice 和 Bob 之间的 EPR 控制设置了阈值，以排除 Alice 和 Charlie 之间的 EPR 控制，”他告诉我们。 物理世界.
“量子转向的不可克隆是量子叠加的结果，就像最初的不可克隆和不可行定理一样，”他补充道，“我们的证明基于所谓的不广播定理，该定理是“混合”状态的扩展非克隆系统（在复合系统中）。
研究人员现在正在研究“量子性”程度如何影响其他不可行定理。 “我们正在研究在量子克隆框架下在多个观察者之间共享非局域性和其他类型量子信息的协议，”张透露。 “这种共享非局域性和信息的主题是量子信息科学的基础。”
这项工作在 中国物理快报.
