Schimbarea inseparabilității în mecanica cuantică

În mecanica cuantică, schimbarea inseparabilității este un protocol de transfer al inseparabilității cuantice de la o pereche de particule la alta, chiar dacă a doua pereche de particule nu a interacționat niciodată. Acest proces poate avea aplicații în rețelele de comunicații cuantice și în calculul cuantic.

Concept

Stările de inseparabilitate din surse independente pot deveni inseparabile prin analiza stărilor Bell.

Principii de bază

Schimbarea inseparabilității implică două perechi de particule inseparabile: (A, B) și (C, D). Perechea de particule (A, B) este inițial inseparabilă, la fel ca și perechea (C, D). Perechea (B, C) luată din perechile originale este proiectată pe una dintre cele patru stări Bell posibile, un proces numit măsurarea stărilor Bell. Perechea nemăsurată de particule (A, D) poate deveni inseparabilă. Acest efect se întâmplă fără nicio interacțiune directă anterioară între particulele A și D.

Schimbarea inseparabilității este o formă de teleportare cuantică. În teleportarea cuantică, starea necunoscută a unei particule poate fi trimisă dintr-o locație în alta folosind combinația unui canal cuantic și a unui canal clasic. Starea necunoscută este proiectată de Alice pe o stare Bell, iar rezultatul este comunicat lui Bob prin canalul clasic. În schimbul de entanglement, starea de la una dintre cele două surse este canalul cuantic de teleportare, iar starea de la cealaltă sursă este necunoscuta trimisă lui Bob.

Reprezentare matematică

Expresia matematică pentru procesul de schimb este:

|ψ⟩_AB ⊗ |ψ⟩_CD →_BSMBC |ψ⟩_AD

În această expresie, |ψ⟩_XY se referă la o stare înlănțuită a unei perechi de particule (X,Y), în timp ce BSM indică măsurarea stării Bell. O stare Bell este una dintre cele patru stări specifice de reprezentare a două particule cu înlănțuire maximă; o măsurare a stării Bell proiectează o stare cuantică pe acest set de bază.

Aplicații potențiale

Criptografia cuantică

În domeniul criptografiei cuantice, aceasta ajută la o mai bună securizare a canalelor de comunicație. Prin utilizarea înlănțuirii inversate între perechile de particule, este posibil să se genereze chei de criptare securizate care ar trebui protejate împotriva interceptării.

Rețele cuantice

Intervalul de inseparabilitate servește, de asemenea, ca tehnologie de bază pentru proiectarea rețelelor cuantice, unde multe noduri – precum computerele cuantice sau punctele de comunicare – se conectează prin aceste conexiuni speciale realizate prin legături inseparabile. Aceste rețele pot susține transferul în siguranță al informațiilor cuantice pe rute lungi.

Repetoare cuantice și comunicare la distanță

Intervalul de inseparabilitate poate permite construirea de repetoare cuantice pentru a extinde rețelele de comunicații cuantice, permițând partajarea inseparabilității pe distanțe lungi. Efectuarea schimbului de inseparabilitate în anumite puncte acționează ca și cum ar fi transmiterea informațiilor fără pierderi.

Istoric

Bernard Yurke și David Stoler au arătat teoretic în 1992 că inseparabilitatea nu necesită interacțiunea particulelor măsurate finale. Folosind o stare Greenberger-Horne-Zeilinger în trei componente, au arătat că dispozitivul lui Mermin, un model de experiment mental conceput pentru a explica inseparabilitatea, era echivalent cu un experiment EPR în care particulele corelate nu au interacționat niciodată direct.

Termenul de schimbare a inseparabilității a fost inventat de fizicienii Marek Żukowski, Anton Zeilinger, Michael A. Horne și Artur K. Ekert în lucrarea lor din 1993. Aceștia au rafinat conceptul pentru a demonstra că se poate extinde inseparabilitatea de la o pereche de particule la alta folosind o metodă numită măsurarea stării Bell.

În 1998, Jian-Wei Pan, care lucra în grupul lui Zeilinger, a efectuat primul experiment privind schimbarea inseparabilității. Aceștia au folosit fotoni inseparabili pentru a demonstra transferul cu succes al inseparabilității între perechi care nu au interacționat niciodată. Experimentele ulterioare au dus acest lucru mai departe, făcându-l să funcționeze pe distanțe mai lungi și cu stări cuantice mai complexe.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)