I en ny studie föreslår forskare konceptet "virtuell kvantutsändning", som ger en lösning på det långvariga no-cloning-teoremet, och erbjuder därmed nya möjligheter för överföring av kvantinformation.
Studien, publicerad i Physical Review Letters , skisserar en virtuell sändningskarta som skapar korrelerade kopior "virtuellt". Genom en serie av fyra teorem fastställer forskarna livskraften för denna karta, vilket möjliggör skapandet av korrelerade kopior av kvanttillstånd över tid.
Vidare demonstrerar forskarna robustheten hos det kanoniska ramverket, bevisar dess fysiska approximation till den universella klonaren och detaljerar hur kartan kan implementeras.
Virtuell kvantutsändning lovar att påverka många områden av kvantinformationsbehandling genom att utnyttja tidsbaserade korrelationer, och därigenom undvika begränsningarna av no-cloning theoremet.
Kvantmekaniken är, även om den är otroligt kraftfull, byggd så att den förhindrar att information replikeras eller kopieras. Ett kvanttillstånd kapslar in all relevant information i systemet och kollapsar eller ändras till ett av de möjliga resultaten av mätningen när den mäts eller observeras.
Det betyder att vi inte kan kopiera staten eftersom den behöver mätas för att kunna göra det. Denna princip är känd som no-cloning theorem. I enklare termer kan du inte bara kopiera och klistra in kvantinformation som du skulle göra med klassiska data.
Denna begränsning utgör ett betydande hinder för kvantkommunikationssystem som förlitar sig på att effektivt kunna överföra och reproducera kvantinformation.
Forskargruppen bestod av prof. Arthur Parzygnat från MIT, prof. James Fullwood från Hainan University, prof. Francesco Buscemi från Nagoya University och prof. Giulio Chiribella från University of Hong Kong, som förklarade sin motivation för Phys.org.
De motiverades av detta problem som presenterades av no-cloning theoremet. Deras mål var att studera utvecklingen av kvanttillstånd över tid och förstå vad "korrelation innebär inte orsakssamband" menade för rent kvanttillstånd.
"Vår väg runt detta var att introducera virtuella kvantutsändningskanaler, som, även om de inte är äkta fysiska processer, har många viktiga tillämpningar inom kvantinformationsbehandling," förklarade professor Parzygnat.
Till skillnad från traditionella kopieringsmetoder, som är förbjudna enligt no-cloning theoremet, fungerar dessa virtuella sändningskanaler eller kartor virtuellt, vilket innebär att de inte involverar direkt fysisk replikering.
Istället etablerar kartan korrelationer mellan olika instanser av ett kvanttillstånd, vilket effektivt möjliggör överföring av information utan att bryta mot kvantmekanikens grundläggande principer.
Den virtuella sändningskartan är unik och uppfyller tre enkla axiom, som forskarna formulerar i sats 1. Axiomen som styr den virtuella sändningskartan säkerställer konsistens under förändringar i:
Dessa är de grundläggande kraven för en virtuell sändningskarta.
Forskarna bevisar vidare (i sats 2) att en fysisk approximation av en sådan karta kan skapas med hjälp av en universell klonare, en enhet som kan göra de mest trogna kopiorna av ett godtyckligt kvanttillstånd möjligt.
Därefter visar forskarna hur sändningskartan kan uppnås genom nedbrytning (sats 3). Den fastställer att kartan kan delas upp i två operationer:
Slutligen fastställer de (i sats 4) ekvivalensen mellan verkan av en tidsevolutionsfunktion och verkan av den virtuella sändningskartan på vilket godtyckligt tillstånd som helst. Detta innebär att den virtuella sändningskartan beter sig som en tidsoperation, vilket möjliggör skapandet av korrelerade virtuella kopior av kvanttillstånd över tiden.
"Det mest tilltalande med detta arbete är att kartan är unikt kännetecknad av en enkel uppsättning naturliga krav. Det är därför vi kallar den kanonisk. En sådan unik egenskap verkar i sin tur peka på en helt ny del av kvantteorin, d.v.s. dess tidsliknande struktur, som fortfarande till stor del är outforskad," förklarade prof. Buscemi.
Genom att etablera ett virtuellt kvantutsändningsteorem har forskarna tagit fram en mängd nya möjligheter för kvantberäkning, kvantinformation och kvantkryptografi.
"En väg som jag tycker är särskilt intressant, och som jag för närvarande arbetar på med professor Parzygnat, är hur ett virtuellt sändningsläge potentiellt kan koda mätstatistiken för två tidsliknande separerade mätningar i ett givet laboratorium", säger prof. Fullwood.
Detta fenomen antyder att det virtuellt sända tillståndet, som skisserats, inte bara fångar förväntningsvärdena utan även sannolikheterna för gemensamma mätresultat.
Detta stöder tolkningen av virtuell sändning som en spatiotemporal process som speglar flödet av kvantinformation över tid, "liknande hur rymdtiden kapslar in rymdens utveckling över tid", tillade prof. Fullwood.
Forskarna påpekar också att virtuell sändning avslöjar den dolda strukturen bakom många kvantinformationsteknologier. Prof. Chiribella förklarar detta med ett exempel i samband med kvantkommunikation, "Ett naturligt sätt för en avlyssnare att utnyttja en kvantkommunikationskanal är att försöka kopiera kvanttillstånd."
"Som det visar sig är det bästa ungefärliga sättet att kopiera kvanttillståndet att realisera en fysisk approximation av vår virtuella sändning."
Denna förståelse kan förbättra säkerhetsåtgärder inom kvantkommunikation genom att erbjuda insikter i potentiella avlyssningstekniker och deras motåtgärder.
Forskarna pekar på att vi går in i ett nytt område inom kvantteorin som tidigare ansågs oortodoxa eller förbjudna, till exempel den direkta mätningen av noggrannhet i kvantenheter, som tillåts av den virtuella sändningskartan.
"Kanske kan du hitta svaren på många grundläggande frågor här," avslutade Prof. Buscemi.
Mer information: Arthur J. Parzygnat et al, Virtual Quantum Broadcasting, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.110203. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.13049
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
