Помимо клонирования: использование возможностей виртуального квантового вещания

Прочитано: 77 раз(а)


В новом исследовании ученые предлагают концепцию «виртуального квантового вещания», которая обеспечивает обход давней теоремы о запрете клонирования, тем самым предлагая новые возможности для передачи квантовой информации.

Исследование , опубликованное в журнале Physical Review Letters, описывает виртуальную карту вещания, которая создает коррелированные копии «виртуально». С помощью серии из четырех теорем исследователи устанавливают жизнеспособность этой карты, которая позволяет создавать коррелированные копии квантовых состояний с течением времени.

Кроме того, исследователи демонстрируют надежность канонической структуры, доказывают ее физическое приближение к универсальному клонатору и подробно описывают, как карта может быть реализована.

Виртуальное квантовое вещание обещает оказать влияние на многие области квантовой обработки информации, используя корреляции, основанные на времени, тем самым избегая ограничений, налагаемых теоремой о запрете клонирования.

Почему мы не можем копировать и вставлять?

Квантовая механика, хотя и невероятно мощная, устроена так, что предотвращает репликацию или копирование информации. Квантовое состояние инкапсулирует всю соответствующую информацию в системе и схлопывается или изменяется до одного из возможных результатов измерения при измерении или наблюдении.

Это означает, что мы не можем скопировать состояние, поскольку для этого его необходимо измерить. Этот принцип известен как теорема о запрете клонирования. Проще говоря, вы не можете просто копировать и вставлять квантовую информацию, как если бы вы это делали с классическими данными.

Это ограничение представляет собой серьезное препятствие для систем квантовой связи , которые полагаются на возможность эффективной передачи и воспроизведения квантовой информации.

Исследовательская группа состояла из профессора Артура Парзигната из Массачусетского технологического института, профессора Джеймса Фуллвуда из Хайнаньского университета, профессора Франческо Бушеми из Университета Нагои и профессора Джулио Чирибеллы из Университета Гонконга, которые объяснили свою мотивацию Phys.

Их мотивировала проблема, представленная теоремой о запрете клонирования. Их целью было изучить эволюцию квантовых состояний с течением времени и понять, что означает «корреляция не подразумевает причинно-следственную связь» для чисто квантовых состояний.

Виртуальное квантовое вещание

«Наш способ обойти эту проблему заключался в том, чтобы ввести виртуальные квантовые каналы вещания, которые, хотя и не являются настоящими физическими процессами, имеют множество важных применений в квантовой обработке информации », — объяснил профессор Парзигнат.

В отличие от традиционных методов копирования, запрещенных теоремой о запрете клонирования, эти виртуальные каналы или карты вещания работают виртуально, то есть не требуют прямого физического копирования.

Вместо этого карта устанавливает корреляции между различными экземплярами квантового состояния, эффективно позволяя передавать информацию, не нарушая фундаментальных принципов квантовой механики.

Карта виртуального вещания уникальна и удовлетворяет трем простым аксиомам, которые исследователи изложили в теореме 1. Аксиомы, управляющие картой виртуального вещания, обеспечивают согласованность при изменениях:

  • Система отсчета.
  • Симметрия между принимающими концами.
  • Способность копировать классическую информацию, не подверженную влиянию декогеренции.

Это основные требования к виртуальной карте вещания.

Далее исследователи доказывают (в теореме 2), что физическую аппроксимацию такой карты можно создать с помощью универсального клонера — устройства, которое может сделать максимально точные копии произвольного квантового состояния.

Далее исследователи показывают, как можно получить карту вещания путем декомпозиции (теорема 3). Установлено, что карту можно разбить на две операции:

  • Протокол измерения и подготовки включает в себя выполнение виртуального измерения в квантовой системе для создания виртуального выполнения виртуального измерения в квантовой системе.
  • Затем на основе результатов виртуального измерения, выполненного на предыдущем этапе, генерируются две копии виртуального квантового состояния.

Наконец, они устанавливают (в теореме 4) эквивалентность действия функции временной эволюции и действия виртуального отображения вещания на любое произвольное состояние. Это означает, что карта виртуального вещания ведет себя как операция времени, позволяя создавать коррелированные виртуальные копии квантовых состояний с течением времени.

«Самая привлекательная особенность этой работы заключается в том, что карта уникально характеризуется простым набором естественных требований. Вот почему мы называем ее канонической. Такое уникальное свойство, в свою очередь, похоже, указывает на совершенно новую часть квантовой теории, то есть, его времяподобная структура, которая до сих пор в значительной степени неисследована», — объяснил профессор Бушеми.

Влияние на квантовые приложения

Установив теорему о виртуальном квантовом вещании, исследователи открыли множество новых возможностей для квантовых вычислений, квантовой информации и квантовой криптографии.

«Один путь, который я считаю особенно интересным и над которым я сейчас работаю с профессором Парзигнатом, — это то, как виртуальное состояние вещания может потенциально кодировать статистику измерений двух времяподобных разделенных измерений в данной лаборатории», — сказал профессор Фуллвуд.

Это явление предполагает, что состояние виртуального вещания, как указано выше, фиксирует не только ожидаемые значения, но и вероятности результатов совместных измерений.

Это подтверждает интерпретацию виртуального вещания как пространственно-временного процесса, который отражает поток квантовой информации во времени, «подобно тому, как пространство-время инкапсулирует эволюцию пространства во времени», добавил профессор Фуллвуд.

Исследователи также отмечают, что виртуальное вещание раскрывает скрытую структуру многих квантовых информационных технологий. Профессор Чирибелла объясняет это на примере из контекста квантовой связи: «Естественный способ для подслушивателя подключиться к каналу квантовой связи — это попытаться скопировать квантовые состояния».

«Оказывается, лучший приблизительный способ скопировать квантовое состояние — это реализовать физическую аппроксимацию нашего виртуального вещания».

Это понимание может повысить меры безопасности в квантовой коммуникации, предлагая понимание потенциальных методов подслушивания и мер противодействия им.

Исследователи указывают на то, что мы вступаем в новую область квантовой теории, ранее считавшуюся неортодоксальной или запретной, например, прямое измерение точности квантовых устройств, что допускается картой виртуального вещания.

«Возможно, здесь можно найти ответы на многие фундаментальные вопросы», — заключил профессор Бушеми.

Помимо клонирования: использование возможностей виртуального квантового вещания



Новости партнеров