Ein Forschungsteam hat eine kohärente Überlagerung der Quantenevolution mit zwei entgegengesetzten Richtungen in einem photonischen System konstruiert und deren Vorteil bei der Charakterisierung der Input-Output-Unbestimmtheit bestätigt. Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Die Vorstellung, dass die Zeit unaufhaltsam von der Vergangenheit in die Zukunft fließt, ist tief im menschlichen Bewusstsein verwurzelt. Die physikalischen Gesetze, die die Bewegung von Objekten in der mikroskopischen Welt bestimmen, unterscheiden die Richtung der Zeit jedoch nicht bewusst.
Genauer gesagt sind die grundlegenden Bewegungsgleichungen sowohl der klassischen als auch der Quantenmechanik umkehrbar, und eine Änderung der Richtung des Zeitkoordinatensystems eines dynamischen Prozesses (möglicherweise zusammen mit der Richtung einiger anderer Parameter) stellt noch immer einen gültigen Evolutionsprozess dar.
Dies wird als Zeitumkehrsymmetrie bezeichnet. In der Quanteninformationswissenschaft hat die Zeitumkehr aufgrund ihrer Anwendungen in mehrzeitigen Quantenzuständen, Simulationen geschlossener zeitartiger Kurven und der Umkehrung unbekannter Quantenentwicklungen großes Interesse geweckt. Allerdings ist die Zeitumkehr experimentell schwer zu realisieren.
Um dieses Problem zu lösen, konstruierte das Team unter der Leitung der Akademiker Guo Guangcan, Prof. Li Chuanfeng und Prof. Liu Biheng von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) in Zusammenarbeit mit Prof. Giulio Chiribella von der University of Hong Kong eine Klasse von Quantenevolutionsprozessen in einem photonischen Aufbau, indem es die Zeitumkehr auf die Eingangs-Ausgangs-Inversion eines Quantengeräts erweiterte.
Beim Vertauschen der Eingangs- und Ausgangsports eines Quantengeräts erfüllte die resultierende Entwicklung die Zeitumkehreigenschaften der anfänglichen Entwicklung, wodurch ein Zeitumkehrsimulator für die Quantenentwicklung entstand.
Auf dieser Grundlage quantisierte das Team die zeitliche Evolutionsrichtung weiter und erreichte so die kohärente Überlagerung von Quantenevolution und ihrer inversen Evolution. Außerdem charakterisierten sie die Strukturen mithilfe von Quantenwitwetechniken.
Im Vergleich zum Szenario einer eindeutigen Evolutionszeitrichtung zeigte die Quantisierung der Zeitrichtung erhebliche Vorteile bei der Quantenkanalidentifizierung.
In dieser Studie verwendeten die Forscher das Gerät, um zwischen zwei Sätzen von Quantenkanälen mit einer Erfolgswahrscheinlichkeit von 99,6 % zu unterscheiden, während die maximale Erfolgswahrscheinlichkeit einer Strategie mit bestimmter Zeitrichtung bei gleichem Ressourcenverbrauch lediglich 89 % betrug.
Die Studie zeigt das Potenzial der Input-Output-Unbestimmtheit als wertvolle Ressource für Fortschritte in der Quanteninformation und den photonischen Quantentechnologien auf.
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Yu Guo et al, Experimentelle Demonstration der Input-Output-Indefinitität in einem einzelnen Quantengerät, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.160201
Zur Verfügung gestellt von der University of Science and Technology of China