Lomittumisakku tehostaa kvanttipalautuvuutta

Hieman yli 200 vuotta sitten ranskalainen Sadi Carnot muotoili termodynamiikan toisen pääsäännön.

Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä on paljastanut analogisen lain kvanttimaailmalle.

Tämä lomittumisen manipuloinnin toinen laki todistaa, että aivan kuten lämpöä tai energiaa idealisoidussa termodynamiikan järjestelmässä, lomittumista voidaan manipuloida palautuvasti.

”Termodynamiikan toisen pääsäännön kanssa analogisen toisen pääsäännön löytäminen on ollut avoin ongelma kvantti-informaatiotieteessä”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Tulja Varun Kondra. ”Tämän ratkaiseminen on ollut ensisijainen motivaatiomme.”

Paljon työtä tämän ongelman ratkaisemiseksi on keskittynyt skenaarioon, jossa kaksi etäällä olevaa osapuolta (usein nimeltään Alice ja Bob) haluavat vaihtaa kvantti-informaatiota, mutta heidän on toimittava paikallisesti kvanttijärjestelmissään ja kommunikoitava klassisesti, esimerkiksi puhelimen tai internetin kautta. Tämä rajoitus paikallisiin operaatioihin ja klassiseen kommunikaatioon (LOCC) yksinkertaistaa tilannetta, mikä tarkoittaa, että mitä tahansa Alice ja Bob tekevätkin, he eivät voi vaikuttaa kvanttijärjestelmiensä välisen lomittumisen luonnostaan ​​epälokaaleihin ominaisuuksiin.

”Tiedetään, että tässä skenaariossa LOCC-operaatioissa lomittuminen on peruuttamatonta”, selittää tutkimuksen päätekijä Alexander Streltsov. ”Kysymys siis kuuluu, voimmeko jotenkin mielekkäällä tavalla ylittää LOCC:n ja palauttaa palautuvuuden?” Tutkimusryhmän vastaus on ”kyllä”, kunhan Alicella ja Bobilla on yhteinen ylimääräinen lomittunut järjestelmä: lomittumisakku.

Aivan kuten tavallinen akku varastoi energiaa, lomittumisakku sekä syöttää että varastoi lomittumista. Akkua voidaan käyttää tilamuutosprosessissa, ja itse akun tilaa voidaan muuttaa toimintojen suorittamiseksi. On vain yksi sääntö: mitä tahansa Alice ja Bob tekevätkin, he eivät saa vähentää akun sisäisen lomittumisen tasoa.

Ja aivan kuten tavallinen akku mahdollistaa työn suorittamisen, jotka olisivat mahdottomia ilman sitä, niin tekee myös lomittumisakku. Avustamalla tavanomaisia ​​LOCC-operaatioita hypoteettisella lomittumisakullaan tiimi osoitti, että mikä tahansa sekatilainen lomittumismuutos voidaan tehdä täysin palautuvaksi.

Tämä tutkimussaavutus on merkittävä panos keskusteluun siitä, onko lomittumismanipulaatio yleisesti palautuvaa. Mutta tärkeämpi tämän työn tulos on se, että tutkijat ovat osoittaneet, että heidän kehittämiään menetelmiä voidaan soveltaa sekatilojen lomittumismuunnoksen ulkopuolella, jolloin he voivat hyödyntää lomittumisakkua palautuvuuden varmentamiseksi erilaisissa skenaarioissa.

Lomittumisakulle voidaan löytää käyttötarkoituksia jopa lomittumisteorian ulkopuolella. Esimerkiksi samat periaatteet soveltuvat järjestelmiin, joissa on enemmän kuin kaksi lomittunutta hiukkasta, mikä tasoittaa tietä monimutkaisten kvanttiverkkojen ymmärtämiselle ja manipuloinnille ja ehkä tulevaisuuden erittäin tehokkaiden kvanttiteknologioiden kehittämiselle.

Aiheesta aiemmin:

Uudenlainen kvanttilomittuminen

Kvanttiportteja, hyperlomittumista ja kvanttisuodatin

Suora viestintä useiden kvanttiprosessorien välillä