虛拟廣播地圖可以對量子資訊處理産生重大影響。圖檔來源：Fractal Hassan/Unsplash

在一項新的研究中，科學家們提出了“虛拟量子廣播”的概念，它為長期存在的無克隆定理提供了一種解決方法，進而為量子資訊的傳輸提供了新的可能性。

該研究發表在《實體評論快報》（Physical Review Letters）上，概述了一個虛拟廣播地圖，該地圖可以“虛拟”建立相關副本。通過一系列的四個定理，研究人員建立了該圖的可行性，該圖可以随着時間的推移建立量子态的相關副本。

此外，研究人員還展示了規範架構的魯棒性，證明了其與通用克隆器的實體近似，并詳細說明了如何實作該圖譜。

虛拟量子廣播有望通過利用基于時間的相關性來影響量子資訊處理的許多領域，進而避免了不可克隆定理帶來的限制。

為什麼我們不能複制和粘貼？

量子力學雖然非常強大，但它的建構是為了防止資訊被複制或複制。量子态封裝了系統中的所有相關資訊，并在測量或觀察時崩潰或改變為測量的可能結果之一。

這意味着我們無法複制狀态，因為需要對其進行測量才能做到這一點。這個原理被稱為不可克隆定理。簡而言之，您不能像處理經典資料那樣複制和粘貼量子資訊。

這種限制對依賴于有效傳輸和再現量子資訊的量子通信系統構成了重大障礙。

該研究團隊由麻省理工學院的Arthur Parzygnat教授、海南大學的James Fullwood教授、名古屋大學的Francesco Buscemi教授和香港大學的Giulio Chiribella教授組成，他們向Phys.org解釋了他們的動機。

他們受到不可克隆定理提出的這個問題的啟發。他們的目标是研究量子态随時間的演化，并了解“相關性并不意味着因果關系”對于純量子态意味着什麼。

虛拟量子廣播

“我們解決這個問題的方法是引入虛拟量子廣播通道，雖然它不是真正的實體過程，但在量子資訊進行中有許多重要的應用，”Parzygnat 教授解釋道。

與不可克隆定理所禁止的傳統複制方法不同，這些虛拟廣播頻道或地圖以虛拟方式運作，這意味着它們不涉及直接的實體複制。

相反，該圖在量子态的不同執行個體之間建立了相關性，進而有效地允許資訊傳輸而不違反量子力學的基本原理。

虛拟廣播地圖是唯一的，并且滿足研究人員在定理 1 中列出的三個簡單公理。控制虛拟廣播地圖的公理確定了以下變化下的一緻性：

這些是虛拟廣播地圖的基本要求。

研究人員進一步證明（在定理 2 中）可以使用通用克隆器建立這種映射的實體近似，該裝置可以使任意量子态的最忠實的副本成為可能。

接下來，研究人員展示了如何通過分解來實作廣播圖（定理3）。它确定映射可以分為兩個操作：

最後，他們在任意狀态下建立了（在定理 4 中）時間演化函數的作用與虛拟廣播地圖的作用之間的等價性。這意味着虛拟廣播圖的行為類似于時間操作，允許随着時間的推移建立量子态的相關虛拟副本。

“這項工作最吸引人的特點是，該圖具有一組簡單的自然要求的獨特特征。這就是為什麼我們稱其為規範的。反過來，這種獨特的屬性似乎指向量子理論的一個全新部分，也就是說，它的類時間結構在很大程度上仍未被探索，”布西密教授解釋道。

通過建立虛拟量子廣播定理，研究人員為量子計算、量子資訊和量子密碼學帶來了許多新的可能性。

“我覺得特别有趣的一個方向，目前正在與Parzygnat教授合作的，就是一個虛拟廣播狀态可能如何在給定實驗室中編碼兩個類時空分隔測量的測量統計資料，”Fullwood教授說道。

這種現象表明，如上所述，虛拟廣播狀态不僅捕獲期望值，還捕獲聯合測量結果的機率。

這支援将虛拟廣播解釋為一個時空過程，反映了量子資訊随時間的流動，“類似于時空如何封裝空間随時間的演化，”福爾伍德教授補充道。

研究人員還指出，虛拟廣播揭示了許多量子資訊技術背後的隐藏結構。 Chiribella 教授用量子通信背景下的一個例子解釋了這一點，“竊聽者利用量子通信通道的一種自然方式是嘗試複制量子态。”

“事實證明，複制量子态的最佳近似方法是實作虛拟廣播的實體近似。”

這種了解可以通過提供對潛在竊聽技術及其對策的見解來增強量子通信中的安全措施。

研究人員指出，我們進入了一個以前被認為是非正統或禁區的量子理論新領域，例如虛拟廣播地圖所允許的直接測量量子裝置的精度。

“也許許多基本問題的答案都可以在這裡找到，”布西密教授總結道。

更多資訊：Arthur J. Parzygnat 等人，虛拟量子廣播，實體評論快報 (2024)。 DOI：10.1103/PhysRevLett.132.110203。在 arXiv 上：DOI：10.48550/arxiv.2310.13049

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