En matematiker hävdar att en maximalt intrasslad kvanttillstånd med ett fast spektrum inte existerar i närvaro av brus.

21 augusti 2024

Detta innehåll har granskats enligt Science X:s redaktionella process och riktlinjer. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper och samtidigt säkerställt innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• granskad av kollegor
• pålitlig källa
• korrekturläst

av David Appell, Phys.org

I mer än 20 år har kvantforskare funderat på om ett kvantsystem kan ha maximalt entanglement i närvaro av brus. En matematiker från Spanien svarade nyligen på frågan: Nej.

Idén om kvantentanglement började med en debatt mellan Niels Bohr och Albert Einstein; Einstein gillade inte tanken och kallade den föraktfullt för 'spöklika handlingar på avstånd'. Kvantfysiker grubblade över konceptet i decennier, och det förfinades till en grundläggande princip som kallas Bell-olikheterna, som skildrade de klassiska och kvantvärldarna.

Entanglement uppstår när objekten i ett system, oavsett vad de är, inte kan beskrivas oberoende av varandra. De är på något sätt anslutna på sätt som vetenskapsmännen inte har kunnat förklara – eller snarare, förstå, eftersom det verkar så ointuitivt för oss klassiska varelser som gör klassisk, inte kvant, tänkande.

Kvantforskare använder fenomenet med entanglement för att bygga och förbättra tekniker som kvantdatorer, kvantkryptering, kvantsensorer och kvantteleportation, och vill gå vidare.

Många kvantforskare tror att kvantdatorer kommer att kräva partiklar eller molekyler i ett entangled state. Sådana tillstånd finns endast inom kvantmekaniken. Betrakta ett system med två entangled elektroner vars totala spin är noll. Mät spinnet på en och, oavsett vad det är, faller den entangled partnern tilsynelatande genast in i motsatt spin, oavsett avståndet.

Emellertid har ingen information mystiskt nog färdats mellan de två partiklarna. Entanglement har bevisats för ett system där medlemmarna är mer än 1 000 km ifrån varandra.

En qubit är en kvantbit, där tillståndet (i detta fall en elektron) kan existera i flera tillstånd samtidigt; elektronen sägs vara i en kvantöverläggning. Ovan, innan den mäts, är varje elektron en qubit, en överläggning av ett spin-up-tillstånd och ett spin-down-tillstånd. Den maximalt entangled kvanttilståndet hos två qubits kallas ett Bell-tillstånd; qubitsen uppvisar en perfekt korrelation som inte kan förklaras utan kvantmekanik.

Under de senaste decennierna har forskare och ingenjörer sett entanglement som en resurs som möjliggör uppgifter inom kvanttekniker som är omöjliga inom klassiska system. När man använder kvantentanglement skulle forskare vilja uppnå en maximalt entangled state, där partiklarna, ljuset eller molekylerna har maximalt entangled anslutningar till varandra i den verkliga världen – partiklarna är korrelerade på ett sätt som inte är möjligt i den klassiska världen, och alla möjliga mätningar av det entangled systemet kan utföras. Detta skulle ge den mest användbara formen av entanglement och skulle vara en guldstandard inom tillämpningar.

I frånvaro av något brus – någon störning av det entangled state, såsom termiska fluktuationer, mekaniska vibrationer, fluktuationer i spänningen hos en strömförsörjning osv. – vet kvantinformationsteoretikerna att den maximalt entangled state existerar, vilket är oberoende av mätningarna.

Men den verkliga världen har oundvikligt brus som knackar på dörrarna överallt, inklusive på entangled states. Kan den maximalt entangled state fortfarande existera? Visst, denna fråga rankas som nummer 5 på listan över öppna kvantproblem publicerade av Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Wien.

Nu har Julio I. de Vicente vid Universidad Carlos III de Madrid svarat på frågan negativt – om brus är närvarande, är det inte möjligt att samtidigt maximera alla typer av entanglement i systemet. Hans arbete är publicerat i Physical Review Letters.

”Den bästa staten som man kan förbereda beror på valet av entanglement quantifier så fort vi avviker från det idealiserade scenariot även under den lättaste formen av brus,” berättade de Vicente för Phys.org. “Därför finns det ingen universell begrepp om maximal entanglement i brusig miljö, och den bästa staten man kan förbereda beror på uppgiften.”

En 'entanglement quantifier' tilldelar ett nummer till graden av entanglement. En 'uppgift' i detta sammanhang är ändamålet för vilket ett entangled state används.

Det är viktigt att förstå att Vicentes resultat endast gäller för brusiga maximalt entangled states med en fast spektrum. Två kvantilstånd har samma spektrum om de har samma mängd underliggande brus. Vicentes resultat gäller inte fallet där vi tillåts ändra spektrumet (det vill säga öka eller minska bruset) mellan två kvanttillstånd.

En viktig entanglement kvantifierare är entanglement entropy; precis som i termodynamik, är det ett mått på mängden oordning i ett system. Bell states har en hög mängd entropi, och två-qubit brusiga tillstånd var kända för att maximera andra kvantifierare av entanglement. Det troddes starkt att de borde maximera alla möjliga kvantifierare, vilket nu visar sig vara felaktigt. Namit Anand, en forskare på KBR och NASA Ames Quantum AI Lab (QuAIL), säger: "Detta kommer som en överraskning, eftersom det var känt att det finns klasser av brusiga två-qubit-stater som verkar vara som en generalisering av Bell-staten." Men de Vicentes bevis innebär, bland annat, att motsvarigheten till Bell-staten inte existerar i närvaro av brus. “Det här påminner oss om att historien inte är så enkel som det verkar,” sa Anand. “Och kanske, som ofta händer inom grundforskning, när ett öppet problem är löst, lämnar det oss med fler frågor än svar.”