Maksymalnie spleciony stan kwantowy z ustalonym spektrum nie istnieje w obecności szumu, twierdzi matematyk.

21 sierpnia 2024 r. funkcja

Artykuł ten został zweryfikowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• sprawdzane pod kątem faktów
• publikacja poddana recenzji przez rówieśników
• zaufane źródło
• sprawdzone

przez Davida Appella, Phys.org

Od ponad 20 lat badacze kwantowi zastanawiali się, czy system kwantowy może mieć maksymalne sprzężenie w obecności zakłóceń. Matematyk ze Hiszpanii niedawno odpowiedział na to pytanie: Nie.

Pomysł na kwantowe sprzężenie powstał w wyniku sporu między Nielsem Bohrem i Albertem Einsteinem; Einstein nie lubił tego pojęcia i pogardliwie nazywał je „dziwną akcją na odległość”. Fizycy kwantowi przez dziesięciolecia zastanawiali się nad tym pojęciem, a zostało ono dopracowane w zasadniczą zasadę znaną jako nierówności Bella, które wyznaczają granicę między dziedzinami klasyczną i kwantową.

Sprzężenie występuje, gdy obiekty w systemie, jakiekolwiek by one nie były, nie mogą być opisane niezależnie od siebie. Są w jakiś sposób powiązane w sposób, którego naukowcy nie byli w stanie wyjaśnić - albo raczej zrozumieć, ponieważ wydaje się to nam tak niewiarygodne jako istotom klasycznym, które myślą klasycznie, a nie kwantowo.

Naukowcy zajmujący się kwantami wykorzystują zjawisko sprzężenia do budowy i doskonalenia technologii takich jak komputery kwantowe, szyfrowanie kwantowe, sensory kwantowe i teleportacja kwantowa, a chcą pójść dalej.

Wielu naukowców zajmujących się kwantami uważa, że komputery kwantowe będą wymagały cząstek lub cząsteczek w stanie sprzężonym. Takie stany istnieją tylko w mechanice kwantowej. Rozważ system dwóch związanych elektronów, których łączny spin wynosi zero. Zmierz spin jednego z nich, a systematycznie partner związany natychmiast ulega przeciwnemu spinowi, bez względu na odległość.

Nie przesyła się jednak żadnych informacji między tymi dwiema cząstkami. Sprzężenie zostało udowodnione dla systemu, którego członkowie są oddaleni o ponad 1000 km.

Kubit to kwantowy bit, gdzie stan (tutaj, elektron) może istnieć jednocześnie w wielu stanach; mówi się, że elektron jest w nadstawieniu kwantowym. Powyżej, przed jego zmierzeniem, każdy elektron jest kubitem, nadstawieniem stanu spin w górę i stanu spin w dół. Maksymalne sprzężone kwantowe stany dwóch kubitów nazywane są stanem Bella; kubity wykazują doskonałą korelację, której nie można wyjaśnić bez mechaniki kwantowej.

W ostatnich dziesięcioleciach naukowcy i inżynierowie zaczęli traktować sprzężenie jako zasób umożliwiający wykonywanie zadań w technologiach kwantowych niemożliwych w systemach klasycznych. Korzystając ze sprzężenia kwantowego, badacze chcieliby osiągnąć maksymalnie sprzężony stan, w którym cząstki, światło lub cząsteczki mają maksymalne, wzajemne połączenia w prawdziwym świecie - cząstki są skorelowane w sposób niemożliwy w świecie klasycznym, a wszelkie możliwe pomiaru systemu sprzężonego można przeprowadzić. Zapewniłoby to najbardziej przydatną formę sprzężenia i byłoby standardem w zastosowaniach.

W przypadku braku zakłóceń - jakiejkolwiek zakłócenia stanu sprzężonego, takie jak fluktuacje temperatury, wibracje mechaniczne, fluktuacje napięcia zasilania itp. - teoretycy informacji kwantowej wiedzą, że istnieje maksymalnie sprzężony stan, który jest niezależny od pomiarów.

Ale w rzeczywistości pojawia się wszędzie nieunikniony hałas, w tym na stanach sprzężonych. Czy maksymalnie sprzężony stan nadal może istnieć? Oto pytanie, które zajmuje 5 miejsce na liście otwartych problemów kwantowych opublikowanej przez Instytut Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Wiedniu.

Teraz Julio I. de Vicente z Universidad Carlos III de Madrid odpowiedział na to pytanie przecząco - jeśli jest obecny hałas, nie jest możliwe jednoczesne maksymalizowanie wszystkich rodzajów sprzężenia systemu. Jego praca została opublikowana w Physical Review Letters.

"Najlepszy stan, jaki można przygotować, zależy od wyboru iloczynu sprzężenia, kiedy oddalamy się od idealnego scenariusza nawet pod najlżejszą postacią hałasu," powiedział de Vicente Phys.org. "Zatem w hałaśliwym reżimie nie ma uniwersalnego pojęcia maksymalnego sprzężenia, a najlepszy stan jaki można przygotować jest zależny od zadania."

"Iloczyn sprzężenia" przypisuje liczbę do stopnia sprzężenia. „Zadanie” w tym kontekście oznacza cel, w którym wykorzystywany jest stan sprzężony.

Ważne jest zrozumienie, że wynik Vicente'a dotyczy tylko hałaśliwych stanów maksymalnie sprzężonych ze stałym spektrum. Dwa stany kwantowe mają to samo spektrum, jeśli mają taką samą ilość podstawowego hałasu. Wyniki de Vicente'a nie dotyczą przypadku, w którym jesteśmy zmuszeni zmienić spektrum (to znaczy zwiększyć lub zmniejszyć hałas) między dwoma stanami kwantowymi.

Jednym z ważnych mierników splątania jest entropia splątania; podobnie jak w termodynamice, jest to miara ilości nieporządku w systemie. Stany Bella mają dużą entropię, a dwu-kubitowe szumne stany są znane z maksymalizacji innych mierników splątania. Silnie wierzyło się, że powinny one maksymalizować wszystkie możliwe mierniki, co teraz okazuje się być nieprawdziwe.

Namit Anand, naukowiec z firmy KBR i NASA Ames' Quantum AI Lab (QuAIL), mówi: 'To jest niespodzianka, ponieważ wiadomo było, że istnieją klasy szumnych dwu-kubitowych stanów, które wydają się być generalizacją stanu Bella.' Jednak dowód de Vicente'a sugeruje, między innymi, że odpowiednik stanu Bella nie istnieje w obecności szumu.

'To przypomina nam, że historia nie jest tak prosta, jak się wydaje,' powiedział Anand. 'A być może, jak często ma to miejsce w badaniach podstawowych, gdy rozwiązywany jest otwarty problem, zostaje nam więcej pytań niż odpowiedzi.'

Autor dziękuje Namitowi Anandowi za cenne spostrzeżenia i pomoc.

Więcej informacji: Julio I. de Vicente, Stanu Mieszane o Maksymalnym Splątaniu dla Stałego Spektrum Nie Zawsze Istnieją, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.050202. Na arXiv: arxiv.org/abs/2402.05673

Informacje o czasopiśmie: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Sieć Science X