克隆量子转向是不可能的

来源：物理研究更新

作者：大锅天眼

量子转向（量子导引）是类似于量子纠缠的一种奇怪的非定域现象，它不能通过被转向系统与外部系统之间的任何联合操作来完美复制。这一新的“不可克隆”定理是我国研究人员的工作结果，这一发现不仅对基础物理学很重要，还可能对量子密码学和量子计算产生影响。

传统计算机以“位”的形式存储信息，其值要么为1要么为0。相比之下，量子计算机将信息存储在两级量子系统中，比如光子的水平和垂直偏振态，或者电子的“上自旋”和“下自旋”状态。这些量子比特或量子位的状态不限于0和1，它们也可以以一种被称为叠加的中间组合形式存在。然而，量子系统的完整状态永远不可能被完全知道，这意味着量子比特的完美复制是被禁止的。这就是所谓的“不可克隆”定理，它构成了量子密码学的基础。

另一个重要的原理是两个或多个量子位可以纠缠在一起，这意味着它们之间的关系比经典物理学所允许的要密切得多。当两个量子位纠缠在一起时，测量其中一个量子位的状态会自动告诉你第二个量子位的状态，不管它们相距多远。例如，如果你知道一个粒子的自旋，你就可以确定另一个粒子的自旋。

阿尔伯特·爱因斯坦发现纠缠的这一方面令人不安，因为这意味着纠缠的粒子可以以一种非局域的方式影响彼此的状态，他称之为“幽灵般的超距作用”。在1935年发表的一篇论文中，他和他的同事鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)反对这种形式的非定域性，以他们的首字母缩写命名为EPR悖论。然而，后来的研究表明，他们的论点是不正确的：2022年的诺贝尔物理学奖被授予了三位实验家，他们在已故理论家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)的工作基础上，证明了纠缠是非定域性确实是我们物理世界的一部分。

然而，量子纠缠并不是量子理论中非定域性的唯一形式。另一种类型，被称为量子转向，由薛定谔提出，作为EPR悖论的推广。在量子纠缠中，参与量子交易的双方(传统上称为Alice和Bob)都信任用于产生各自状态的量子粒子的来源。量子转向引入了这种设置的不对称性：现在只有一个来源(比如Alice)是可信的。这使得Alice能够“操纵”Bob观察到的粒子的状态，这意味着她对纠缠粒子对中她那一半的测量会以一种无法用经典解释的方式影响Bob那一半的状态。

在新工作中所展示的“指导不可克隆原则”增加了我们对这种形式的非局部性的理解。原始的不可克隆定理表明，没有任何物理操作可以完美复制未知的量子态。而我国研究人员的发现表明，如果一个已知状态的量子转向“太量子”，那么这个状态就不能被完美复制。

研究人员还发现，一种被称为EPR转向的密切相关的量子相关类型可以被部分克隆。EPR转向存在于可以被用来令人信服地证明量子转向的状态中，即使被转向状态的观察者不相信测量者。因此，它可以被视为比量子转向“更强”的量子特性。研究人员说：“在被第三方‘Charlie’攻击的Alice和Bob之间的量子信息任务中，我们使用克隆机器在lice和Bob之间的EPR转向上设置了阈值，以排除lice和Bob之间的EPR转向。”

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