Triplewise Information Tradeoff in der Quantenmessung wurde bewiesen

Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment zur Erklärung der Quantensuperposition und Quantenmessung, die die Kerneigenschaften der Quantenphysik sind. In diesem Experiment kann die Katze in der Kiste gleichzeitig lebendig und tot sein (Quantenüberlagerung), und ihr Zustand (tot oder lebendig) wird in dem Moment entschieden, in dem die Kiste geöffnet (gemessen) wird. Solche Quantenüberlagerung und -messung sind nicht nur die Grundlage der Quantenphysik, sondern garantieren auch die Sicherheit von Quantencomputing und Kryptografie.

Das Forschungsteam, bestehend aus Dr. Seongjin Hong, Hyang-Tag Lim und Seung-Woo Lee vom Center for Quantum Information am Korea Institute of Science and Technology (KIST, Präsident Seok Jin Yoon) leiteten und verifizierten erstmals in der Quantenmessung die Information Preservation Relation . Dies stärkt die Sicherheit von Quanteninformationstechnologien auch im schwachen Bereich der Quantenmessung.

Das Öffnen der Box (Quantenmessung), in der die Katze untergebracht ist, um Informationen darüber zu erhalten, ob sie tot oder lebendig ist, ändert den Ausgangszustand der Katze, dass sie gleichzeitig tot und lebendig ist (Quantenüberlagerung), nur entweder tot oder lebendig zu sein. Mit anderen Worten, die Katze ist in dem Moment tot, in dem wir die Information erhalten, dass sie „tot ist“, oder sie lebt in dem Moment, in dem wir die Information erhalten, dass sie „lebt“. Aufgrund der Irreversibilität von Quantenmessungen kann der Zustand der Katze nicht umgekehrt werden.

Was wäre jedoch passiert, wenn die Messung nicht vollständig durchgeführt worden wäre, dh wenn die Schachtel nur ein wenig geöffnet worden wäre, um den Schwanz der Katze freizulegen? Dieses Ereignis wird in der Quantenmechanik als schwache Messung bezeichnet. In diesem Fall können keine vollständigen Informationen über den Zustand der Katze erhalten werden, und der Zustand der Katze kann unter Verwendung einer Messwertumkehrung in ihren Anfangszustand zurückgesetzt werden. Daher war es eine Herausforderung in der Quantenphysik und auch eine wichtige Aufgabe, die Sicherheit der Quantentechnologie zu gewährleisten, eine Beziehung zur Erhaltung der Quanteninformation herzustellen, indem die Menge der erhaltenen, gestörten und umkehrbaren Informationen berücksichtigt wird.

Das Forschungsteam leitete theoretisch eine Informationserhaltungsbeziehung ab, die die Umkehrwahrscheinlichkeit zusammen mit den bestehenden Beziehungen von Informationsgewinn und Zustandsstörung berücksichtigt. Diese Informationserhaltungsbeziehung wurde experimentell verifiziert, indem lineare optische Elemente wie Wellenplatten und Polarisatoren verwendet wurden, um schwache Messungen und „Umkehroperationen“ zu implementieren, und indem sie auf einen dreidimensionalen Quantenzustand angewendet wurden, der durch ein einzelnes Photon realisiert wird. Diese Informationserhaltungsbeziehung zeigt, dass das Erhalten von mehr Informationen über einen Quantenzustand durch Erhöhen der Intensität der Messung den Quantenzustand stärker stört. Gleichzeitig wird auch gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, den gestörten Zustand vor schwacher Messung in seinen Ausgangszustand umzukehren, geringer wird. Beachten Sie, dass die Sicherheit der Quantenkryptographie möglicherweise nicht garantiert ist, wenn es möglich wäre, einen gestörten Quantenzustand in seinen Anfangszustand umzukehren.

Dr. Hong und Lim, die das Experiment dieser Studie leiteten, und Dr. Lee, der die Theorie leitete, sagen: „Dies ist das Ergebnis der perfekten Feststellung, dass die Quantentechnologie im Prinzip sicher ist, indem bewiesen wird, dass die Gesamtmenge an Informationen eines Quanten Der Zustand kann auch durch Messung nicht erhöht werden. Wir erwarten, dass dies als Optimierungstechnologie für Quantencomputing, Quantenkryptographie und Quantenteleportation angewendet wird.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Bereitgestellt vom National Research Council of Science & Technology