(Phys.org) —I kvantmekanik, det är omöjligt att exakt och samtidigt mäta komplementära egenskaper (såsom position och momentum) för ett kvanttillstånd. Nu i en ny studie, fysiker har klonat kvanttillstånd och visat att, eftersom klonerna trasslar in sig, det är möjligt att exakt och samtidigt mäta de kompletterande egenskaperna hos klonerna. Dessa mätningar, i tur och ordning, avslöja ingångskvantsystemets tillstånd.

Möjligheten att bestämma de komplementära egenskaperna hos kvanttillstånd på detta sätt har inte bara konsekvenser för att förstå grundläggande kvantfysik, men har också potentiella applikationer för kvantberäkning, kvantkryptografi, och annan teknik.

Fysikerna, Guillame S. Thekkadath och medförfattare vid University of Ottawa, Ontario, har publicerat ett papper om bestämning av komplementära egenskaper hos kvantkloner i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

Som fysikerna förklarar, i den klassiska världen är det möjligt att samtidigt mäta ett systems komplementära tillstånd med exakt precision, och detta avslöjar systemets tillstånd. Men som Heisenberg teoretiskt föreslog 1927 när han började utveckla sin berömda osäkerhetsprincip, varje mätning som görs på ett kvantsystem orsakar en störning på det systemet.

Denna störning är störst vid mätning av komplementära egenskaper. Till exempel, mätning av en partikels position kommer att störa dess momentum, ändra sitt kvanttillstånd. Dessa gemensamma mätningar har fascinerat fysiker ända sedan Heisenbergs tid.

Som en väg kring svårigheten att utföra gemensamma mätningar, fysiker har nyligen undersökt möjligheten att göra en kopia av ett kvantsystem, och sedan oberoende mäta en egenskap på varje kopia av systemet. Eftersom mätningarna utförs separat, de skulle inte förväntas störa varandra, men de skulle fortfarande avslöja information om det ursprungliga kvantsystemet eftersom kopiorna har samma egenskaper som originalet.

Denna strategi möter omedelbart en annan kvantbegränsning:på grund av den icke-klonande satsen, det är omöjligt att göra en perfekt kopia av ett kvanttillstånd. Så istället, fysikerna i den nya studien undersökte närmaste kvantanalog till kopiering, vilket är optimal kloning. De delar av klonernas tillstånd som delar exakt samma egenskaper som ingångstillståndets kallas "tvillingar".

Medan teoretiska perfekta kopior av ett kvanttillstånd är okorrelerade, tvillingarna trasslar ihop. Fysikerna visade att som en följd av denna trassel, oberoende mätning av de komplementära egenskaperna på varje tvilling motsvarar att samtidigt mäta de komplementära egenskaperna hos ingångstillståndet. Detta leder till huvudresultatet av den nya studien:att samtidigt mäta komplementära egenskaper hos tvillingar ger staten (tekniskt sett vågfunktionen) i det ursprungliga kvantsystemet.

"Inom kvantmekanik, mätningar stör tillståndet i systemet som mäts, "Berättade Thekkadath Phys.org . "Detta är ett hinder fysiker möter när de försöker karakterisera kvantsystem som enstaka fotoner. Tidigare har fysiker använde framgångsrikt mycket mjuka mätningar (kända som svaga mätningar) för att kringgå denna störning.

"Som sådan, vårt arbete är inte det första som bestämmer komplementära egenskaper hos ett kvantsystem. Dock, Vi har visat att en annan strategi kan användas. Den bygger på en ganska naiv idé. Antag att vi vill mäta position och momentum för en partikel. Att veta att dessa mätningar kommer att störa partikelns tillstånd, kan vi först kopiera partikeln, och mäta position på en kopia och fart på den andra? Detta var vår första motivation. Men det visar sig att kopiering ensam inte räcker. De uppmätta kopiorna måste också vara intrasslade för att denna strategi ska fungera.

"Detta är vad vi visade experimentellt. I stället för att bestämma positionen och momentum för en partikel, vi bestämde komplementära polarisationsegenskaper för enstaka fotoner. Du skulle intuitivt förvänta dig att denna strategi skulle misslyckas på grund av satsen utan kloning. Dock, vi visade att så inte är fallet, och detta är den största betydelsen av vårt resultat:att mäta komplementära egenskaper hos tvillingarna avslöjar direkt det kvantiska tillståndet i det kopierade systemet. "

Som fysikerna förklarar, en av de viktigaste aspekterna av demonstrationen är att arbeta kring begränsningarna för den icke-klonande satsen.

"I vårt dagliga liv, information kopieras ofta, som när vi fotokopierar ett dokument, eller när DNA replikeras i våra kroppar, "Thekkadath förklarade." Men på kvantnivå, information kan inte kopieras utan att något buller eller brister införs. Vi vet detta på grund av ett matematiskt resultat som kallas no-cloning sats. Detta har inte hindrat fysiker från att försöka. De utvecklade strategier, känd som optimal kloning, som minimerar mängden brus som introduceras av kopieringsprocessen. I vårt arbete, vi går ett steg längre. Vi visade att det är möjligt att eliminera detta buller från våra mätningar på kopiorna med ett smart trick som teoretiskt föreslogs av Holger Hofmann 2012. Våra resultat bryter inte mot det icke-klonande teoremet eftersom vi aldrig fysiskt producerar perfekta kopior:vi bara replikera mätresultaten man skulle få med perfekta kopior. "

I deras experiment, fysikerna demonstrerade den nya metoden med fotoniska tvillingar, men de förväntar sig att förmågan att göra exakt, samtidiga mätningar av komplementära egenskaper på tvillingar kan också implementeras med kvantdatorer. Detta kan leda till många praktiska tillämpningar, som att tillhandahålla en effektiv metod för att direkt mäta högdimensionella kvanttillstånd, som används vid kvantberäkning och kvantkryptografi.

"Att bestämma tillståndet för ett system är en viktig uppgift inom fysiken, "Thekkadath sa." När en stat är bestämd, allt om det systemet är känt. Denna kunskap kan sedan användas för att, till exempel, förutsäga mätresultat och verifiera att ett experiment fungerar som avsett. Denna verifiering är särskilt viktig när komplicerade tillstånd produceras, som de som behövs i kvantdatorer eller kvantkryptografi.

"Vanligtvis, kvanttillstånd bestäms tomografiskt, ungefär som hur hjärnan avbildas i en CAT -skanning. Detta tillvägagångssätt har begränsningen att staten alltid rekonstrueras globalt. I kontrast, vår metod bestämmer värdet av kvanttillstånd vid vilken önskad punkt som helst, tillhandahålla en mer effektiv och direkt metod än konventionella metoder för statlig bestämning.

"Vi demonstrerade experimentellt vår metod med hjälp av enstaka fotoner. Men, vår strategi är också tillämplig i en mängd andra system. Till exempel, den kan implementeras i en kvantdator med endast en enda kvantlogikgrind. Vi räknar med att vår metod skulle kunna användas för att effektivt karakterisera komplicerade kvanttillstånd inne i en kvantdator. "

© 2017 Phys.org