(Phys.org) — In de kwantummechanica, het is onmogelijk om de complementaire eigenschappen (zoals de positie en het momentum) van een kwantumtoestand precies en gelijktijdig te meten. Nu in een nieuwe studie, natuurkundigen hebben kwantumtoestanden gekloond en aangetoond dat, omdat de klonen verstrengeld zijn, het is mogelijk om de complementaire eigenschappen van de klonen nauwkeurig en gelijktijdig te meten. Deze metingen, beurtelings, de toestand van het invoerkwantumsysteem onthullen.

Het vermogen om op deze manier de complementaire eigenschappen van kwantumtoestanden te bepalen, heeft niet alleen implicaties voor het begrijpen van fundamentele kwantumfysica, maar heeft ook potentiële toepassingen voor quantum computing, kwantumcryptografie, en andere technologieën.

de fysici, Guillame S. Thekkadath en co-auteurs aan de Universiteit van Ottawa, Ontario, hebben een paper gepubliceerd over het bepalen van complementaire eigenschappen van kwantumklonen in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Zoals de natuurkundigen uitleggen, in de klassieke wereld is het mogelijk om gelijktijdig de complementaire toestanden van een systeem met exacte precisie te meten, en dit onthult de toestand van het systeem. Maar zoals Heisenberg theoretisch voorstelde in 1927 toen hij zijn beroemde onzekerheidsprincipe begon te ontwikkelen, elke meting die op een kwantumsysteem wordt gedaan, veroorzaakt een storing op dat systeem.

Deze verstoring is het grootst bij het meten van complementaire eigenschappen. Bijvoorbeeld, het meten van de positie van een deeltje zal zijn momentum verstoren, het veranderen van zijn kwantumtoestand. Deze gezamenlijke metingen hebben fysici al sinds de tijd van Heisenberg geïntrigeerd.

Als een manier om de moeilijkheid van het uitvoeren van gezamenlijke metingen te omzeilen, natuurkundigen hebben onlangs de mogelijkheid onderzocht om een ​​kopie te maken van een kwantumsysteem, en vervolgens onafhankelijk één eigenschap op elk exemplaar van het systeem te meten. Omdat de metingen afzonderlijk worden uitgevoerd, ze zouden elkaar niet storen, toch zouden ze nog steeds informatie over het oorspronkelijke kwantumsysteem onthullen omdat de kopieën dezelfde eigenschappen delen als het origineel.

Deze strategie stuit meteen op een andere kwantumbeperking:vanwege de niet-klonen-stelling, het is onmogelijk om een ​​perfecte kopie te maken van een kwantumtoestand. Dus in plaats daarvan, de natuurkundigen in de nieuwe studie onderzochten de kwantumanaloog die het dichtst bij kopiëren ligt, wat optimaal klonen is. De delen van de toestanden van de klonen die exact dezelfde eigenschappen delen als die van de invoerstatus, worden 'tweelingen' genoemd.

Terwijl theoretische perfecte kopieën van een kwantumtoestand ongecorreleerd zijn, de tweeling is verstrikt. De natuurkundigen toonden aan dat als gevolg van deze verstrengeling, het onafhankelijk meten van de complementaire eigenschappen op elke tweeling is gelijk aan het gelijktijdig meten van de complementaire eigenschappen van de invoertoestand. Dit leidt tot het belangrijkste resultaat van de nieuwe studie:dat het gelijktijdig meten van de complementaire eigenschappen van tweelingen de toestand (technisch, de golffunctie) van het oorspronkelijke kwantumsysteem.

"In de kwantummechanica, metingen verstoren de toestand van het te meten systeem, "Thekkadath vertelde" Phys.org . "Dit is een hindernis waarmee natuurkundigen worden geconfronteerd wanneer ze proberen kwantumsystemen zoals enkele fotonen te karakteriseren. In het verleden, natuurkundigen gebruikten met succes zeer zachte metingen (bekend als zwakke metingen) om deze verstoring te omzeilen.

"Als zodanig, ons werk is niet het eerste dat complementaire eigenschappen van een kwantumsysteem bepaalt. Echter, we hebben aangetoond dat een andere strategie kan worden gebruikt. Het is gebaseerd op een nogal naïef idee. Stel dat we de positie en het momentum van een deeltje willen meten. Wetende dat deze metingen de toestand van het deeltje zullen verstoren, kunnen we eerst het deeltje kopiëren, en positie meten op de ene kopie en momentum op de andere? Dit was onze eerste motivatie. Maar het blijkt dat kopiëren alleen niet genoeg is. De gemeten kopieën moeten ook verstrengeld zijn om deze strategie te laten werken.

"Dit is wat we experimenteel hebben aangetoond. In plaats van de positie en het momentum van een deeltje te bepalen, we hebben complementaire polarisatie-eigenschappen van enkele fotonen bepaald. Je zou intuïtief verwachten dat deze strategie zou mislukken vanwege de niet-klonen-stelling. Echter, we hebben laten zien dat dat niet het geval is, en dit is de grootste betekenis van ons resultaat:het meten van complementaire eigenschappen van de tweeling onthult direct de kwantumtoestand van het gekopieerde systeem."

Zoals de natuurkundigen uitleggen, een van de belangrijkste aspecten van de demonstratie is het omzeilen van de beperkingen van de niet-klonen-stelling.

"In ons dagelijks leven informatie wordt vaak gekopieerd, bijvoorbeeld wanneer we een document fotokopiëren, of wanneer DNA wordt gerepliceerd in ons lichaam, " legde Thekkadath uit. "Echter, op kwantumniveau, informatie kan niet worden gekopieerd zonder enige ruis of onvolkomenheden. We weten dit vanwege een wiskundig resultaat dat bekend staat als de stelling van niet-klonen. Dit weerhoudt natuurkundigen er niet van om het te proberen. Ze ontwikkelden strategieën, bekend als optimaal klonen, die de hoeveelheid ruis die door het kopieerproces wordt geïntroduceerd, minimaliseren. In ons werk, wij gaan een stap verder. We hebben aangetoond dat het mogelijk is om deze ruis uit onze metingen op de kopieën te elimineren met behulp van een slimme truc die in 2012 theoretisch werd voorgesteld door Holger Hofmann. Onze resultaten zijn niet in strijd met de stelling van niet-klonen, aangezien we nooit fysiek perfecte kopieën repliceren de meetresultaten die men zou krijgen met perfecte kopieën."

In hun experimenten, de natuurkundigen demonstreerden de nieuwe methode met behulp van fotonische tweelingen, maar ze verwachten dat het vermogen om nauwkeurige, gelijktijdige metingen van complementaire eigenschappen op tweelingen kunnen ook worden uitgevoerd met kwantumcomputers. Dit kan leiden tot veel praktische toepassingen, zoals het bieden van een efficiënte methode om direct hoogdimensionale kwantumtoestanden te meten, die worden gebruikt in kwantumcomputing en kwantumcryptografie.

"Het bepalen van de toestand van een systeem is een belangrijke taak in de natuurkunde, "Zei Thekkadath. "Zodra een staat is vastgesteld, alles over dat systeem is bekend. Deze kennis kan vervolgens worden gebruikt om bijvoorbeeld, meetresultaten voorspellen en verifiëren dat een experiment werkt zoals bedoeld. Deze verificatie is vooral belangrijk wanneer gecompliceerde toestanden worden geproduceerd, zoals die nodig zijn in kwantumcomputers of kwantumcryptografie.

"Typisch, kwantumtoestanden worden tomografisch bepaald, net zoals hoe de hersenen worden afgebeeld in een CAT-scan. Deze benadering heeft de beperking dat de staat altijd globaal wordt gereconstrueerd. In tegenstelling tot, onze methode bepaalt de waarde van kwantumtoestanden op elk gewenst punt, het verschaffen van een efficiëntere en directere methode dan conventionele methoden voor toestandsbepaling.

"We hebben onze methode experimenteel gedemonstreerd met behulp van enkele fotonen. Maar, onze strategie is ook toepasbaar in tal van andere systemen. Bijvoorbeeld, het kan in een kwantumcomputer worden geïmplementeerd door slechts een enkele logische kwantumpoort te gebruiken. We verwachten dat onze methode kan worden gebruikt om gecompliceerde kwantumtoestanden in een kwantumcomputer efficiënt te karakteriseren."

© 2017 Fys.org