Кіріспе
Кванттық ақпарат ғылымындағы теорема. Физикада клондау теоремасы жоқ дегеніміз, кез келген белгісіз кванттық күйдің тәуелсіз және толықтай бірдей көшірмесін жасау мүмкін емес – бұл кванттық есептеу және басқа да салалардағы маңызды салдарлары бар мәлімдеме. Теорема 1970 жылы Джеймс Парк жазған «мүмкін емес» теоремасының дамуы болып табылады, онда ол қарапайым және толыққанды бұзбайтын өлшеу схемасының болуы мүмкін емес екенін көрсетеді (осы нәтиже 1982 жылы Уильям Вуттерс және Войцех Х. Зюрек, сондай-ақ Денис Дикс тәуелсіз түрде дәлелдеген). Аталған теоремалар бір жүйенің күйінің екінші жүйемен байланысуына кедергі келтірмейді, себебі клондау нақты айырылатын күйді, бірдей факторлармен құруға қатысты. Мысалы, екі кубитты клондау теоремасын бұзбай, оларды байланыстыру үшін басқарылатын NOT қақпасы мен Уолш-Хадамард қақпасын қолдануға болады, өйткені байланысқан күйдің ішкі жүйесі ретінде нақты анықталған күйді анықтауға болмайды. Клондау теоремасы (көбінесе қабылдануынша) тек таза күйлерге қатысты, ал аралас күйлерге қатысты жалпыланған тұжырым – «хабар тарату теоремасы» ретінде белгілі. Клондау теоремасының уақытқа қатысты кері процесі – «жою теоремасы». Бұл екеуі кванттық механиканың категориялар теориясы тұрғысынан, әсіресе, тығыз категория ретінде түсіндірілуіне негіз болады. «Категориялық кванттық механика» деп аталатын бұл тұжырымдама кванттық механикадан сызықтық логикаға, кванттық ақпарат теориясының логикасы ретінде (интуиционистік логиканың декартикалық жабық категориялардан туындайтыны сияқты) байланыс жасауға мүмкіндік береді.
In physics, the no cloning theorem states that it is impossible to create an independent and identical copy of an arbitrary unknown quantum state, a statement which has profound implications in the field of quantum computing among others. The theorem is an evolution of the 1970 no go theorem authored by James Park, in which he demonstrates that a non disturbing measurement scheme which is both simple and perfect cannot exist (the same result would be independently derived in 1982 by William Wootters and Wojciech H. Zurek as well as Dennis Dieks the same year). The aforementioned theorems do not preclude the state of one system becoming entangled with the state of another as cloning specifically refers to the creation of a separable state with identical factors. For example, one might use the controlled NOT gate and the Walsh–Hadamard gate to entangle two qubits without violating the no cloning theorem as no well defined state may be defined in terms of a subsystem of an entangled state. The no cloning theorem (as generally understood) concerns only pure states whereas the generalized statement regarding mixed states is known as the no broadcast theorem. The no cloning theorem has a time reversed dual, the no deleting theorem. Together, these underpin the interpretation of quantum mechanics in terms of category theory, and, in particular, as a dagger compact category. This formulation, known as categorical quantum mechanics, allows, in turn, a connection to be made from quantum mechanics to linear logic as the logic of quantum information theory (in the same sense that intuitionistic logic arises from Cartesian closed categories).
Тарих
Ашер Перес пен Дэвид Кайзердің сөзіне қарағанда, Вуттерс пен Зюрек 1982 жылы кванттық түйісуді пайдаланатын суперлюминалды байланыс құрылғысы үшін клондау теоремасын дәлелдеп жариялаған. Ал Джанкарло Гирарди осы теореманы Вуттерс пен Зюрек жариялаған дәлелден 18 ай бұрын, аталған ұсынысқа жасаған рецензиясында дәлелдеген. (Мұны 2018 жылы редактор таратқан хат растайды, онда 1970 жылы Парк кванттық механикада қарапайым бұзылмастан өлшеудің болмауы тұрғысынан толық дәлел мен түсіндірме бергені көрсетілген.) Сол сияқты, кез келген кванттық операцияны қосымша кубит (анцилла) енгізу және тиісті унитарлық эволюцияны орындау арқылы жүзеге асыруға болады. Осылайша клондау теоремасы толыққанды күшінде тұрады.
Салдарлар
Клондау теоремасы кванттық күйлердегі кейбір классикалық қателерді түзету әдістерін қолдануға мүмкіндік бермейді. Мысалы, кванттық есептеу ортасындағы күйдің қосымша көшірмелерін жасауға және кейінгі қателерді түзету үшін пайдалануға болмайды. Қателерді түзету практикалық кванттық есептеу үшін маңызды, және біраз уақыт бойы оның мүмкін еместігі белгісіз болды. 1995 жылы Шор және Стиан тәуелсіз түрде бірінші кванттық қателерді түзету кодтарын жасады, олар клондау теоремасын айналып өтеді. Сол сияқты, клондау телепортация теоремасын бұзады, ол кванттық күйді классикалық биттер тізбегіне (тіпті биттердің шексіз тізбегіне) түрлендірудің, содан кейін осы биттерді жаңа орынға көшірудің және жаңа орында бастапқы кванттық күйдің көшірмесін жасаудың мүмкін емес екенін көрсетеді. Бұл кванттық күйді бір жерде жоюға және басқа жерде оның дәл көшірмесін қайта құруға мүмкіндік беретін, түйісу көмегімен жүзеге асырылатын телепортациядан айырмашылығы бар. Клондау теоремасы байланыс теоремасымен байланысты, ол кванттық түйісуді классикалық ақпаратты тарату үшін (жарық жылдамдығынан артық немесе одан кем) пайдалануға болмайтынын көрсетеді. Яғни, клондау және түйісу мұндай байланысқа мүмкіндік береді. Мұны түсіну үшін ЭПР ой экспериментін қарастырайық және кванттық күйлерді клондауға болады деп есептейік. Алиса мен Бобқа максималды түрде түйіскен Белл күйінің бөліктері берілген болсын. Алиса Бобқа келесідей биттерді жібере алады: Егер Алиса "0" жібергісі келсе, ол электронның спинін z бағытында өлшейді, Бобтың күйін күйретіп, немесе күйіне келтіреді. "1" жіберу үшін Алиса өзінің кубитіне ешқандай әрекет жасамайды. Боб өзінің электрон күйінің көптеген көшірмелерін жасайды және әрбір көшірменің спинін z бағытында өлшейді. Егер Бобдың барлық өлшемдері бірдей нәтиже берсе, ол Алиса "0" жібергенін біледі; әйтпесе, оның өлшемдері немесе нәтижелерін тең ықтималдықпен береді. Бұл Алиса мен Бобқа бір-бірімен классикалық биттерді алмасуға мүмкіндік береді (мысалы, кеңістіктегі қашықтықтар арқылы, себеп-салдар қағидасын бұза отырып). Кванттық күйлерді толыққанды түрде ажырату мүмкін емес. Клондау теоремасы қара тесіктер үшін голографиялық принциптің ақпараттың екі көшірмесі бар деп түсіндіруіне кедергі келтіреді – біреуі оқиғалар көкжиегінде, екіншісі қара тесіктің ішінде. Бұл қара тесік толықтығы сияқты радикалды түсініктерге әкеледі. Клондау теоремасы барлық иіндік компактты категорияларға қолданылады: мұндай тривиальды емес категориялар үшін әмбебап клондау морфизмі жоқ. Теорема осы категорияның анықтамасында жатса да, оның осылай екенін көрсету тривиальды емес; бұл түсінік маңызды, өйткені бұл категория шекті өлшемді Гильберт кеңістіктері ғана емес, жиынтықтар мен қатынастар категориясы және кобордизмдер категориясы сияқты нәрселерді де қамтиды.
Кемел клондау
Беймәлім кванттық күйдің толық көшірмелерін жасау мүмкін болмаса да, кемшіліктері бар көшірмелер жасауға болады. Бұл, клонталған жүйеге үлкен қосалқы жүйені байланыстыру және біріктірілген жүйеге унитарлық түрлендіру қолдану арқылы іске асырылады. Унитарлық түрлендіру дұрыс таңдалса, біріктірілген жүйенің бірнеше компоненттері бастапқы жүйенің шамамен көшірмелеріне айналады. 1996 жылы В. Бузек және М. Хиллери универсалды клондау машинасының белгісіз күйдің клонын 5/6-ға жуық жоғары дәлдікпен жасай алатынын көрсетті. Кемшікті кванттық клондау кванттық криптография протоколдарына тыңшылық шабуыл ретінде, сондай-ақ кванттық ақпарат ғылымындағы басқа да қолданулар үшін пайдаланылуы мүмкін.
Басқа дереккөздер
В. Бузек және М. Хиллери, Кванттық көшірме жасау, Физика әлемі 14 (11) (2001), 25–29 беттер.