Теорема о запрете удаления - No-deleting theorem

В физика, то теорема о запрете удаления из квантовая теория информации это запретная теорема который утверждает, что, как правило, для двух копий некоторого произвольного квантового состояния невозможно удалить одну из копий.^[1] Это обращенное время двойной к теорема о запрете клонирования,^[2][3] в котором говорится, что произвольные состояния не могут быть скопированы. Эта теорема кажется замечательной, потому что во многих смыслах квантовые состояния хрупки; теорема утверждает, что в частном случае они также являются робастными. Физик Арун К. Пати вместе с Сэмюэл Л. Браунштейн доказал эту теорему.

Теорема о запрете удаления вместе с теоремой о запрете клонирования лежат в основе интерпретации квантовой механики в терминах теория категорий, и, в частности, как кинжал симметричная моноидальная категория.^[4][5] Эта формулировка, известная как категориальная квантовая механика, в свою очередь, позволяет связать квантовую механику с линейная логика как логика квантовая теория информации (в точном соответствии с классической логикой, основанной на Декартовы закрытые категории ).

Обзор квантового удаления

Предположим, что есть две копии неизвестного квантового состояния. Уместным вопросом в этом контексте является вопрос, возможно ли, учитывая две идентичные копии, удалить одну из них с помощью квантово-механических операций? Оказывается, нельзя. Теорема об отсутствии удаления является следствием линейности квантовая механика. Как и теорема о запрете клонирования, это имеет важные последствия в квантовые вычисления, квантовая информация теория и квантовая механика в общем.

Процесс квантового удаления берет две копии произвольного неизвестного квантового состояния на входном порту и выводит пустое состояние вместе с оригиналом. Математически это можно описать следующим образом:

${\displaystyle U|\psi \rangle _{A}|\psi \rangle _{B}|A\rangle _{C}=|\psi \rangle _{A}|0\rangle _{B}|A'\rangle _{C}}$

где ${\displaystyle U}$ это операция удаления, которая не обязательно унитарна (но является линейным оператором), ${\displaystyle |\psi \rangle _{A}}$ неизвестное квантовое состояние, ${\displaystyle |0\rangle _{B}}$ это пустое состояние, ${\displaystyle |A\rangle _{C}}$ - начальное состояние машины удаления и ${\displaystyle |A'\rangle _{C}}$ это конечное состояние машины.

Можно отметить, что классические биты можно копировать и удалять, как и кубиты в ортогональных состояниях. Например, если у нас есть два одинаковых кубиты ${\displaystyle |00\rangle }$ и ${\displaystyle |11\rangle }$ тогда мы можем преобразовать в ${\displaystyle |00\rangle }$ и ${\displaystyle |10\rangle }$. В этом случае мы удалили вторую копию. Однако из линейности квантовой теории следует, что нет ${\displaystyle U}$ который может выполнять операцию удаления для любого произвольного состояния ${\displaystyle |\psi \rangle }$.

Формальная формулировка теоремы об отсутствии удаления

Позволять ${\displaystyle |\psi \rangle }$ быть неизвестным квантовое состояние в некоторых Гильбертово пространство (и пусть другие состояния имеют свое обычное значение). Тогда не существует линейного изометрического преобразования такого, что ${\displaystyle |\psi \rangle _{A}|\psi \rangle _{B}|A\rangle _{C}\rightarrow |\psi \rangle _{A}|0\rangle _{B}|A'\rangle _{C}}$, причем конечное состояние анциллы не зависит от${\displaystyle |\psi \rangle }$.

Доказательство

Теорема верна для квантовых состояний в гильбертовом пространстве любой размерности. Для простоты рассмотрим преобразование удаления для двух одинаковых кубитов. Если два кубита находятся в ортогональных состояниях, то для удаления требуется, чтобы

${\displaystyle |0\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A\rangle _{C}\rightarrow |0\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{0}\rangle _{C}}$,

${\displaystyle |1\rangle _{A}|1\rangle _{B}|A\rangle _{C}\rightarrow |1\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{1}\rangle _{C}}$.

Позволять ${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$ состояние неизвестного кубита. Если у нас есть две копии неизвестного кубита, то в силу линейности удаляющего преобразования имеем

${\displaystyle |\psi \rangle _{A}|\psi \rangle _{B}|A\rangle _{C}=[\alpha ^{2}|0\rangle _{A}|0\rangle _{B}+\beta ^{2}|1\rangle _{A}|1\rangle _{B}+\alpha \beta (|0\rangle _{A}|1\rangle _{B}+|1\rangle _{A}|0\rangle _{B})]|A\rangle _{C}}$

${\displaystyle \qquad \rightarrow \alpha ^{2}|0\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{0}\rangle _{C}+\beta ^{2}|1\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{1}\rangle _{C}+{\sqrt {2}}\alpha \beta |\Phi \rangle _{ABC}.}$

В приведенном выше выражении было использовано следующее преобразование:

${\displaystyle 1/{\sqrt {2}}(|0\rangle _{A}|1\rangle _{B}+|1\rangle _{A}|0\rangle _{B})|A\rangle _{C}\rightarrow |\Phi \rangle _{ABC}.}$

Однако, если мы можем удалить копию, то на выходном порту удаляющей машины комбинированное состояние должно быть

${\displaystyle |\psi \rangle _{A}|0\rangle _{B}|A'\rangle _{C}=(\alpha |0\rangle _{A}|0\rangle _{B}+\beta |1\rangle _{A}|0\rangle _{B})|A'\rangle _{C}}$.

В общем, эти состояния не идентичны, и, следовательно, мы можем сказать, что машине не удается удалить копию. Если мы потребуем, чтобы конечные состояния вывода были такими же, то мы увидим, что есть только один вариант:

${\displaystyle |\Phi \rangle =1/{\sqrt {2}}(|0\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{1}\rangle _{C}+|1\rangle _{A}|0\rangle _{B}|A_{0}\rangle _{C}),}$

и

${\displaystyle |A'\rangle _{C}=\alpha |A_{0}\rangle _{C}+\beta |A_{1}\rangle _{C}.}$

С конечного состояния ${\displaystyle |\Phi \rangle }$ анциллы нормализована для всех значений ${\displaystyle \alpha ,\beta }$ это должно быть правдой, что ${\displaystyle |A_{0}\rangle _{C}}$ и ${\displaystyle |A_{1}\rangle _{C}}$ ортогональны. Это означает, что квантовая информация просто находится в конечном состоянии вспомогательной службы. Всегда можно получить неизвестное состояние из конечного состояния вспомогательной, используя локальную операцию в вспомогательном гильбертовом пространстве. Таким образом, линейность квантовой теории не позволяет полностью исключить неизвестное квантовое состояние.

Следствие

• Если бы можно было удалить неизвестное квантовое состояние, то, используя две пары EPR заявляет, что мы могли посылать сигналы быстрее света. Таким образом, нарушение теоремы об отсутствии удаления несовместимо с состояние отсутствия сигнализации.
• Теоремы о запрете клонирования и удаления указывают на сохранение квантовой информации.
• Более сильная версия теоремы о запрещении клонирования и теоремы о запрещении удаления обеспечивает постоянство квантовой информации. Чтобы создать копию, необходимо импортировать информацию из некоторой части вселенной, а для удаления состояния нужно экспортировать ее в другую часть вселенной, где она будет продолжать существовать.

Смотрите также

• Теорема о запрете трансляции
• Теорема о запрете клонирования
• Теорема об отсутствии связи
• Теорема о запрете укрытия^[6]
• Квантовое клонирование
• Квантовая запутанность
• Квантовая информация
• Квантовая телепортация
• Принцип неопределенности

использованная литература

1. А. К. Пати и С. Л. Браунштейн, "Невозможность удаления неизвестного квантового состояния", Природа 404 (2000), стр. 164.
2. W.K. Wootters и W.H. Зурек, "Один квант не может быть клонирован", Природа 299 (1982), стр. 802.
3. Д. Дикс, «Связь с помощью устройств EPR», Письма о физике A, т. 92(6) (1982), стр. 271.
4. Джон Баэз, Физика, топология, логика и вычисления: розеттский камень (2009)
5. Боб Кок, Квантовая картина, (2009) ArXiv 0908.1787
6. Квантовая теорема о неразглашении впервые экспериментально подтверждена. 7 марта 2011 г., Лиза Зыга