超越克隆：利用虚拟量子广播的力量

虚拟广播地图可以对量子信息处理产生重大影响。图片来源：Fractal Hassan/Unsplash

在一项新的研究中，科学家们提出了“虚拟量子广播”的概念，它为长期存在的无克隆定理提供了一种解决方法，从而为量子信息的传输提供了新的可能性。

该研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，概述了一个虚拟广播地图，该地图可以“虚拟”创建相关副本。通过一系列的四个定理，研究人员建立了该图的可行性，该图可以随着时间的推移创建量子态的相关副本。

此外，研究人员还展示了规范框架的鲁棒性，证明了其与通用克隆器的物理近似，并详细说明了如何实现该图谱。

虚拟量子广播有望通过利用基于时间的相关性来影响量子信息处理的许多领域，从而避免了不可克隆定理带来的限制。

为什么我们不能复制和粘贴？

量子力学虽然非常强大，但它的构建是为了防止信息被复制或复制。量子态封装了系统中的所有相关信息，并在测量或观察时崩溃或改变为测量的可能结果之一。

这意味着我们无法复制状态，因为需要对其进行测量才能做到这一点。这个原理被称为不可克隆定理。简而言之，您不能像处理经典数据那样复制和粘贴量子信息。

这种限制对依赖于有效传输和再现量子信息的量子通信系统构成了重大障碍。

该研究团队由麻省理工学院的Arthur Parzygnat教授、海南大学的James Fullwood教授、名古屋大学的Francesco Buscemi教授和香港大学的Giulio Chiribella教授组成，他们向Phys.org解释了他们的动机。

他们受到不可克隆定理提出的这个问题的启发。他们的目标是研究量子态随时间的演化，并了解“相关性并不意味着因果关系”对于纯量子态意味着什么。

虚拟量子广播

“我们解决这个问题的方法是引入虚拟量子广播通道，虽然它不是真正的物理过程，但在量子信息处理中有许多重要的应用，”Parzygnat 教授解释道。

与不可克隆定理所禁止的传统复制方法不同，这些虚拟广播频道或地图以虚拟方式运行，这意味着它们不涉及直接的物理复制。

相反，该图在量子态的不同实例之间建立了相关性，从而有效地允许信息传输而不违反量子力学的基本原理。

虚拟广播地图是唯一的，并且满足研究人员在定理 1 中列出的三个简单公理。控制虚拟广播地图的公理确保了以下变化下的一致性：

参考框架。

接收端之间的对称性。

复制不受退相干影响的经典信息的能力。

这些是虚拟广播地图的基本要求。

研究人员进一步证明（在定理 2 中）可以使用通用克隆器创建这种映射的物理近似，该设备可以使任意量子态的最忠实的副本成为可能。

接下来，研究人员展示了如何通过分解来实现广播图（定理3）。它确定映射可以分为两个操作：

测量和准备协议涉及对量子系统执行虚拟测量以创建对量子系统执行虚拟测量的虚拟。

接下来，根据上一步中执行的虚拟测量的结果生成虚拟量子态的两个副本。

最后，他们在任意状态下建立了（在定理 4 中）时间演化函数的作用与虚拟广播地图的作用之间的等价性。这意味着虚拟广播图的行为类似于时间操作，允许随着时间的推移创建量子态的相关虚拟副本。

“这项工作最吸引人的特点是，该图具有一组简单的自然要求的独特特征。这就是为什么我们称其为规范的。反过来，这种独特的属性似乎指向量子理论的一个全新部分，也就是说，它的类时间结构在很大程度上仍未被探索，”布西密教授解释道。

对量子应用的影响

通过建立虚拟量子广播定理，研究人员为量子计算、量子信息和量子密码学带来了许多新的可能性。

“我觉得特别有趣的一个方向，目前正在与Parzygnat教授合作的，就是一个虚拟广播状态可能如何在给定实验室中编码两个类时空分隔测量的测量统计数据，”Fullwood教授说道。

这种现象表明，如上所述，虚拟广播状态不仅捕获期望值，还捕获联合测量结果的概率。

这支持将虚拟广播解释为一个时空过程，反映了量子信息随时间的流动，“类似于时空如何封装空间随时间的演化，”福尔伍德教授补充道。

研究人员还指出，虚拟广播揭示了许多量子信息技术背后的隐藏结构。 Chiribella 教授用量子通信背景下的一个例子解释了这一点，“窃听者利用量子通信通道的一种自然方式是尝试复制量子态。”

“事实证明，复制量子态的最佳近似方法是实现虚拟广播的物理近似。”

这种理解可以通过提供对潜在窃听技术及其对策的见解来增强量子通信中的安全措施。

研究人员指出，我们进入了一个以前被认为是非正统或禁区的量子理论新领域，例如虚拟广播地图所允许的直接测量量子设备的精度。

“也许许多基本问题的答案都可以在这里找到，”布西密教授总结道。

更多信息：Arthur J. Parzygnat 等人，虚拟量子广播，物理评论快报 (2024)。 DOI：10.1103/PhysRevLett.132.110203。在 arXiv 上：DOI：10.48550/arxiv.2310.13049

期刊信息：物理评论快报arXiv