Een maximaal verstrengelde kwantumtoestand met een vast spectrum bestaat niet in de aanwezigheid van ruis, beweert een wiskundige.

21 augustus 2024 eigenschap

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• feiten gecontroleerd
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• nagelezen

door David Appell, Phys.org

Al meer dan 20 jaar vragen quantumonderzoekers zich af of een kwantumsysteem maximale verstrengeling kan hebben in aanwezigheid van ruis. Een wiskundige uit Spanje heeft recentelijk de vraag beantwoord: Nee.

Het idee van quantumverstrengeling begon met een debat tussen Niels Bohr en Albert Einstein; Einstein vond het idee niet prettig en noemde het spottend 'spookachtige actie op afstand'. Quantumfysici puzzelden tientallen jaren over het concept, en het werd verfijnd tot een fundamenteel principe dat bekend staat als de Bell-ongelijkheden, die de klassieke en de kwantumwereld afbakenden.

Verstrengeling treedt op wanneer de objecten in een systeem, wat ze ook zijn, niet onafhankelijk van elkaar kunnen worden beschreven. Ze zijn op de een of andere manier met elkaar verbonden op manieren die wetenschappers niet hebben kunnen verklaren - of beter gezegd, begrijpen, omdat het zo onintuïtief lijkt voor ons klassieke wezens die klassiek, en niet kwantum-matig, denken.

Quantumwetenschappers gebruiken het fenomeen van verstrengeling om technologieën zoals kwantumcomputers, kwantumversleuteling, kwantumsensoren en kwantumteleportatie te bouwen en verbeteren, en willen verder gaan.

Velen quantumwetenschappers geloven dat kwantumcomputers deeltjes of moleculen in een verstrengelde toestand vereisen. Dergelijke toestanden komen alleen voor in de kwantummechanica. Overweeg een systeem van twee verstrengelde elektronen waarvan het nettospin nul is. Meet het spin van een van hen en, wat het ook is, de verstrengelde partner lijkt direct in de tegenovergestelde spin te vallen, ongeacht de afstand.

Er is echter op mysterieuze wijze geen informatie tussen de twee deeltjes overgebracht. Verstrengeling is aangetoond voor een systeem waarvan de leden meer dan 1.000 km uit elkaar zijn.

Een qubit is een kwantumbit, waarbij de toestand (hier, een elektron) tegelijkertijd in meerdere toestanden kan bestaan; het elektron wordt gezegd in een kwantumsuperpositie te zijn. Hierboven, voordat het wordt gemeten, is elk elektron een qubit, een superpositie van een spin omhoog toestand en een spin omlaag toestand. De maximaal verstrengelde kwantumtoestand van twee qubits wordt een Bell-toestand genoemd; de qubits vertonen een perfecte correlatie die niet zonder kwantummechanica kan worden verklaard.

In de afgelopen decennia zijn wetenschappers en ingenieurs verstrengeling als een hulpmiddel gaan zien dat taken in kwantumtechnologieën mogelijk maakt die in klassieke systemen onmogelijk zijn. Bij het gebruik van kwantumverstrengeling willen onderzoekers een maximaal verstrengelde toestand bereiken, waarbij de deeltjes, licht of moleculen maximale verstrengelde verbindingen met elkaar hebben in de echte wereld - de deeltjes zijn in een correlatie op een manier die in de klassieke wereld niet mogelijk is, en alle mogelijke metingen van het verstrengelde systeem kunnen worden uitgevoerd. Dit zou de meest nuttige vorm van verstrengeling bieden en een gouden standaard zijn in toepassingen.

In afwezigheid van ruis - zoals storing van de verstrengelde toestand, zoals thermische fluctuaties, mechanische trillingen, schommelingen in de spanning van een voeding, enz. - weten de quantuminformatietheoretici dat de maximaal verstrengelde toestand bestaat, onafhankelijk van metingen.

Maar de echte wereld heeft overal onvermijdelijke ruis, ook op verstrengelde toestanden. Kan de maximaal verstrengelde toestand nog steeds bestaan? Inderdaad, deze vraag staat op de vijfde plaats op de lijst van open kwantumproblemen gepubliceerd door het Institute for Quantum Optics and Quantum Information in Wenen.

Julio I. de Vicente van de Universidad Carlos III de Madrid heeft nu de vraag negatief beantwoord - als er ruis aanwezig is, is het niet mogelijk om tegelijkertijd alle soorten verstrengeling van het systeem te maximaliseren. Zijn werk is gepubliceerd in Physical Review Letters.

'De beste toestand die men kan voorbereiden, hangt af van de keuze van de verstrengelingsquantificeerder zodra we ons verwijderen van het geïdealiseerde scenario, zelfs onder de geringste vorm van ruis,' vertelde de Vicente aan Phys.org. 'Dus, in het rumoerige regime, is er geen universeel begrip van maximale verstrengeling, en de beste toestand die men kan voorbereiden is afhankelijk van de taak.'

Een 'verstrengelingsquantificeerder' kent een aantal toe aan de mate van verstrengeling. Een 'taak' in deze context is het doel waarvoor een verstrengelde toestand wordt gebruikt.

Het is belangrijk om te begrijpen dat de resultaten van Vicente alleen van toepassing zijn op lawaaierige maximaal verstrengelde toestanden met een vast spectrum. Twee kwantumtoestanden hebben hetzelfde spectrum als ze dezelfde hoeveelheid onderliggende ruis hebben. De resultaten van de Vicente gelden niet voor het geval waarin we het spectrum mogen veranderen (dat wil zeggen, de ruis verhogen of verlagen) tussen twee kwantumtoestanden.

Één belangrijke entanglement quantifier is entanglement entropy; zoals in de thermodynamica, is het een maat voor de hoeveelheid wanorde in een systeem. De Bell-toestanden hebben een grote hoeveelheid entropie, en twee-qubit ruisige toestanden stonden bekend om andere entanglement-quantifiers te maximaliseren. Er werd sterk geloofd dat ze alle mogelijke quantifiers zouden maximaliseren, wat nu blijkt niet juist te zijn.

Namit Anand, een wetenschapper bij KBR en het Quantum AI Lab (QuAIL) van NASA Ames, zegt: 'Dit komt als een verrassing, aangezien bekend was dat er klassen van ruisige twee-qubit toestanden bestaan die lijken op de generalisatie van de Bell-toestand.' Maar de proef van de Vicente impliceert, onder andere, dat de equivalent van de Bell-toestand niet bestaat in aanwezigheid van ruis.

'Dit herinnert ons eraan dat het verhaal niet zo eenvoudig is als het lijkt,' zei Anand. 'En misschien, zoals vaak gebeurt in fundamenteel onderzoek, wanneer een open probleem wordt opgelost, laat het ons achter met meer vragen dan antwoorden.'

De auteur bedankt Namit Anand voor waardevolle inzichten en hulp.

Meer informatie: Julio I. de Vicente, Maximally Entangled Mixed States for a Fixed Spectrum Do Not Always Exist, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.050202. Op arXiv: arxiv.org/abs/2402.05673

Journal informatie: Physical Review Letters, arXiv

© 2024 Science X Network