Het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters , schetst een virtuele uitzendkaart die 'virtueel' gecorreleerde kopieën creëert. Via een reeks van vier stellingen stellen de onderzoekers de levensvatbaarheid van deze kaart vast, waardoor in de loop van de tijd gecorreleerde kopieën van kwantumtoestanden kunnen worden gecreëerd.

Verder demonstreren de onderzoekers de robuustheid van het canonieke raamwerk, bewijzen ze de fysieke benadering ervan voor de universele cloner, en geven ze gedetailleerd aan hoe de kaart kan worden geïmplementeerd.

Virtuele kwantumuitzendingen beloven een impact te hebben op veel terreinen van de kwantuminformatieverwerking door gebruik te maken van op tijd gebaseerde correlaties, waardoor de beperkingen worden vermeden die worden opgelegd door het no-cloning-theorema.

Waarom kunnen we niet kopiëren en plakken?

Hoewel de kwantummechanica ongelooflijk krachtig is, is ze zo gebouwd dat ze voorkomt dat informatie wordt gerepliceerd of gekopieerd. Een kwantumtoestand kapselt alle relevante informatie in het systeem in en stort in of verandert een van de mogelijke uitkomsten van de meting wanneer deze wordt gemeten of waargenomen.

Het betekent dat we de staat niet kunnen kopiëren, omdat deze moet worden gemeten om dat te kunnen doen. Dit principe staat bekend als de niet-kloneringsstelling. In eenvoudiger bewoordingen kunt u kwantuminformatie niet zomaar kopiëren en plakken zoals u dat met klassieke gegevens zou doen.

Deze beperking vormt een aanzienlijk obstakel voor kwantumcommunicatiesystemen die afhankelijk zijn van het efficiënt kunnen verzenden en reproduceren van kwantuminformatie.

Het onderzoeksteam bestond uit prof. Arthur Parzygnat van MIT, prof. James Fullwood van Hainan University, prof. Francesco Buscemi van Nagoya University en prof. Giulio Chiribella van de Universiteit van Hong Kong, die hun motivatie aan Phys.org uitlegden.

Ze werden gemotiveerd door dit probleem dat werd gepresenteerd door de niet-kloneringsstelling. Hun doel was om de evolutie van kwantumtoestanden in de loop van de tijd te bestuderen en te begrijpen wat 'correlatie geen oorzakelijk verband impliceert' betekende voor puur kwantumtoestanden.

Virtuele kwantumuitzending

"Onze manier om dit te omzeilen was door virtuele kwantumomroepkanalen te introduceren, die, hoewel het geen echte fysieke processen zijn, veel belangrijke toepassingen hebben in de verwerking van kwantuminformatie", legt prof. Parzygnat uit.

In tegenstelling tot traditionele kopieermethoden, die verboden zijn door het no-cloning-theorema, werken deze virtuele uitzendkanalen of kaarten virtueel, wat betekent dat er geen sprake is van directe fysieke replicatie.

In plaats daarvan legt de kaart correlaties vast tussen verschillende instanties van een kwantumtoestand, waardoor de overdracht van informatie effectief mogelijk wordt gemaakt zonder de fundamentele principes van de kwantummechanica te schenden.

De virtuele uitzendkaart is uniek en voldoet aan drie eenvoudige axioma's, die de onderzoekers uiteenzetten in stelling 1. De axioma's die de virtuele uitzendkaart bepalen, zorgen voor consistentie onder veranderingen in:

• Het referentiekader.
• Symetrie tussen de ontvangende uiteinden.
• Het vermogen om klassieke informatie te kopiëren, onaangetast door decoherentie.

Dit zijn de basisvereisten van een virtuele uitzendkaart.

De onderzoekers bewijzen verder (in stelling 2) dat een fysieke benadering van zo'n kaart zou kunnen worden gemaakt met behulp van een universele cloner, een apparaat dat de meest getrouwe kopieën van een willekeurige kwantumtoestand mogelijk kan maken.

Vervolgens laten de onderzoekers zien hoe de omroepkaart kan worden bereikt door decompositie (stelling 3). Het stelt vast dat de kaart kan worden opgesplitst in twee bewerkingen:

• Een protocol voor meten en voorbereiden omvat het uitvoeren van een virtuele meting op het kwantumsysteem om een ​​virtuele meting te creëren die een virtuele meting op het kwantumsysteem uitvoert.
• Vervolgens worden twee kopieën van de virtuele kwantumstatus gegenereerd op basis van de uitkomsten van de virtuele meting die in de vorige stap is uitgevoerd.

Ten slotte stellen ze (in stelling 4) de gelijkwaardigheid vast tussen de actie van een tijdevolutiefunctie en de actie van de virtuele uitzendkaart op elke willekeurige toestand. Dit houdt in dat de virtuele uitzendkaart zich gedraagt ​​als een tijdoperatie, waardoor gecorreleerde virtuele kopieën van kwantumtoestanden in de loop van de tijd kunnen worden gecreëerd.

“Het meest aantrekkelijke kenmerk van dit werk is dat de kaart op unieke wijze wordt gekenmerkt door een eenvoudige reeks natuurlijke vereisten. Daarom noemen we het canoniek. Zo’n unieke eigenschap lijkt op zijn beurt te verwijzen naar een geheel nieuw deel van de kwantumtheorie, d.w.z. de tijdachtige structuur ervan, die nog grotendeels onontgonnen is”, legt prof. Buscemi uit.

Impact op kwantumtoepassingen

Door een virtuele kwantumomroepstelling op te stellen, hebben de onderzoekers een groot aantal nieuwe mogelijkheden voor kwantumcomputing, kwantuminformatie en kwantumcryptografie naar voren gebracht.

"Eén mogelijkheid die ik bijzonder interessant vind, en waar ik momenteel samen met prof. Parzygnat aan werk, is hoe een virtueel uitgezonden staat potentieel de meetstatistieken van twee op tijd lijkende, gescheiden metingen in een bepaald laboratorium kan coderen", aldus prof. Fullwood. P>

Dit fenomeen suggereert dat de virtueel uitgezonden toestand, zoals geschetst, niet alleen de verwachtingswaarden vastlegt, maar ook de waarschijnlijkheden van gezamenlijke meetresultaten.

Dit ondersteunt de interpretatie van virtuele uitzendingen als een spatiotemporeel proces dat de stroom van kwantuminformatie in de loop van de tijd weerspiegelt, "vergelijkbaar met hoe ruimtetijd de evolutie van de ruimte in de loop van de tijd inkapselt", aldus prof. Fullwood.

De onderzoekers wijzen er ook op dat virtuele uitzendingen de verborgen structuur achter veel kwantuminformatietechnologieën onthullen. Prof. Chiribella legt dit uit met een voorbeeld in de context van kwantumcommunicatie:"Een natuurlijke manier voor een afluisteraar om een ​​kwantumcommunicatiekanaal aan te boren is door te proberen kwantumtoestanden te kopiëren."

"Het blijkt dat de beste manier om de kwantumtoestand bij benadering te kopiëren het realiseren van een fysieke benadering van onze virtuele uitzendingen is."

Dit inzicht kan de beveiligingsmaatregelen in kwantumcommunicatie verbeteren door inzicht te bieden in mogelijke afluistertechnieken en hun tegenmaatregelen.

De onderzoekers wijzen erop dat we een nieuw gebied van de kwantumtheorie betreden dat voorheen als onorthodox of verboden terrein werd beschouwd, zoals de directe meting van de nauwkeurigheid in kwantumapparaten, zoals toegestaan ​​door de virtuele uitzendkaart.

"Misschien kunnen de antwoorden op veel fundamentele vragen hier gevonden worden", concludeerde prof. Buscemi.

Meer informatie: Arthur J. Parzygnat et al, Virtual Quantum Broadcasting, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.110203. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2310.13049

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

© 2024 Science X Netwerk