Введение
Теорема в квантовой информатике
В физике теорема о невозможности клонирования утверждает, что невозможно создать независимую и идентичную копию произвольного неизвестного квантового состояния, что имеет глубокие последствия в области квантовых вычислений и других областях. Теорема является развитием теоремы 1970 года, сформулированной Джеймсом Парком, в которой он показал, что не существует невозмущающей схемы измерения, которая была бы одновременно простой и совершенной (тот же результат был независимо получен в 1982 году Уильямом Вуттерсом и Войцехом Х. Зюреком, а также Деннисом Диксом в том же году). Упомянутые теоремы не исключают возможности запутывания состояния одной системы с состоянием другой, поскольку клонирование конкретно относится к созданию разделимого состояния с идентичными множителями. Например, можно использовать управляемые NOT-вентили и вентили Уолша-Адамара для запутывания двух кубитов, не нарушая теорему о невозможности клонирования, поскольку никакое однозначно определенное состояние не может быть определено относительно подсистемы запутанного состояния. Теорема о невозможности клонирования (в общепринятом понимании) относится только к чистым состояниям, в то время как обобщенное утверждение относительно смешанных состояний известно как теорема о невозможности широковещательной передачи. Теорема о невозможности клонирования имеет двойственную теорему, обратную по времени, – теорему о невозможности удаления. Вместе они служат основой для интерпретации квантовой механики в терминах теории категорий, и в частности, как категории с кинжальной компактностью. Эта формулировка, известная как категориальная квантовая механика, в свою очередь, позволяет установить связь между квантовой механикой и линейной логикой как логикой квантовой теории информации (в том же смысле, в котором интуиционистская логика возникает из декартово замкнутых категорий).
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).
История
Согласно Ашеру Пересу и Дэвиду Кайзеру, публикация в 1982 году доказательства теоремы о невозможности клонирования, представленного Уоттерсом и Зюреком для устройства сверхсветовой связи, использующего квантовую запутанность, произошла после того, как Джанкарло Гирарди доказал эту теорему за 18 месяцев до публикации Уоттерса и Зюрека в своем отзыве на данное предложение. Как подтверждается письмо редактора, обнаруженное в 2018 году, полное доказательство, а также интерпретация, основанная на отсутствии простых недеструктивных измерений в квантовой механике, были предложены Парком еще в 1970 году. Аналогично, любую квантовую операцию можно реализовать, используя вспомогательный кубит (ансиллу) и выполнив соответствующую унитарную эволюцию. Следовательно, теорема о невозможности клонирования справедлива в полной мере.
Последствия
Теорема о невозможности клонирования препятствует использованию определенных классических методов коррекции ошибок для квантовых состояний. Например, нельзя создавать резервные копии состояния в середине квантового вычисления и использовать их для исправления последующих ошибок. Коррекция ошибок жизненно важна для практических квантовых вычислений, и долгое время было неясно, возможна ли она. В 1995 году Шор и Стин независимо друг от друга разработали первые квантовые коды коррекции ошибок, обходящие теорему о невозможности клонирования, и показали, что это возможно. Аналогично, клонирование нарушило бы теорему о невозможности телепортации, которая утверждает, что невозможно преобразовать квантовое состояние в последовательность классических битов (даже бесконечную), скопировать эти биты в новое местоположение и воссоздать копию исходного квантового состояния в этом месте. Это не следует путать с телепортацией с использованием запутанности, которая позволяет уничтожить квантовое состояние в одном месте и воссоздать точную копию в другом. Теорема о невозможности клонирования вытекает из теоремы о невозможности передачи информации, которая гласит, что квантовую запутанность нельзя использовать для передачи классической информации (сверхсветовой или любой другой скоростью). Иными словами, клонирование в сочетании с запутанностью позволило бы такую передачу. Чтобы понять это, рассмотрим мысленный эксперимент ЭПР и предположим, что квантовые состояния можно клонировать. Пусть части максимально запутанного состояния Белла распределены между Алисой и Бобом. Алиса может отправлять биты Бобу следующим образом: если Алиса хочет передать "0", она измеряет спин своего электрона в направлении z, в результате чего состояние Боба коллапсирует в или . Чтобы передать "1", Алиса не производит никаких действий со своим кубитом. Боб создает множество копий состояния своего электрона и измеряет спин каждой копии в направлении z. Боб поймет, что Алиса передала "0", если все его измерения дадут один и тот же результат; в противном случае его измерения дадут результаты или с равной вероятностью. Это позволило бы Алисе и Бобу обмениваться классическими битами (возможно, на больших расстояниях, нарушая причинность). Квантовые состояния нельзя различить идеально. Теорема о невозможности клонирования исключает интерпретацию голографического принципа для черных дыр как наличие двух копий информации – одной на горизонте событий, а другой внутри черной дыры. Это приводит к более радикальным интерпретациям, таким как комплементарность черных дыр. Теорема о невозможности клонирования применима ко всем категориям с компактными сопряженными операторами: не существует универсального морфизма клонирования для какой-либо нетривиальной категории этого типа. Хотя теорема является неотъемлемой частью определения этой категории, не сразу очевидно, что это так; это важное понимание, поскольку эта категория включает объекты, отличные от конечномерных гильбертовых пространств, включая категорию множеств и отношений и категорию кобордизмов.
Недостаточное клонирование
Хотя невозможно создать идеальные копии неизвестного квантового состояния, возможно создать несовершенные копии. Это достигается путем взаимодействия большей вспомогательной системы с системой, которую необходимо клонировать, и применения унитарного преобразования к объединенной системе. При правильном выборе унитарного преобразования несколько компонентов объединенной системы превратятся в приближенные копии исходного состояния. В 1996 году В. Бузек и М. Хиллери показали, что универсальная машина клонирования может создать клон неизвестного состояния с удивительно высокой степенью достоверности – 5/6. Несовершенное квантовое клонирование может быть использовано, в частности, в качестве атаки на протоколы квантовой криптографии, а также в других областях квантовой информатики.
Другие источники
В. Бузек и М. Хиллери, Квантовое клонирование, Physics World 14 (11) (2001), с. 25–29.