[論文レビュー] A single quantum cannot be teleported

Daniele Tommasini|ArXiv.org|Oct 9, 2002

Quantum Information and Cryptography参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、元の状態が破壊されても、量子場理論における粒子数の固有の不確実性のため、1量子ビットの完全な量子テレポーテーションが根本的になされないということを主張している。著者は、テレポーテーションが確実な状態転送を達成できないことを示し、パcentレベルまたはそれ以下の避けられない理論的誤差が生じることを明らかにした。これにより、破壊的コピー手法を含むノーコピーテーブル定理が一般化される。

ABSTRACT

Due to the Heisemberg uncertainty principle, it is impossible to design a procedure which permits perfect cloning of an arbitrary, unknown "qubit" (the spin or polarization state of a single quantum system)1,2. However, it is believed that a perfect copying protocol can be achieved, at least in principle, if the qubit to be copied is destroyed in the original system. Quantum teleportation3,4 is supposed to allow for such a result. Here, this belief is shown to be invalidated by a fundamental uncertainty about the number of particles involved in any process, as predicted by Quantum Field Theory. As a result, teleportation cannot provide an infallible copying procedure for the single qubits, not even in the limit of perfect experimental sensitivities. The no-cloning theorem1,2 can then be generalized to the case of destroying the original. Teleportation remains an interesting statistical procedure, having an unavoidable theoretical error at the percent level or few orders of magnitude smaller, depending on the physical process that is used. Although it cannot be made arbitrarily small, such an error is small enough to remain hidden in present experiments.

研究の動機と目的

• 元の状態が破壊されても、量子テレポーテーションが単一の量子ビットに対して完全な複製手順として機能できるかどうかを調査すること。
• 量子場理論における粒子数の不確実性が、完全なテレポーテーションを妨げる根本的障害として果たす役割を検討すること。
• テレポーテーションが確実な状態転送を可能にするという広く信じられている信念に疑問を呈し、避けられない理論的誤差を特定すること。
• 標準的な複製を越えて、元の状態を破壊するプロトコルを含むノーコピーテーブル定理を一般化すること。
• 現在および将来の実験的量子技術におけるこの理論的誤差の実用的影響を評価すること。

提案手法

• 論文は、量子場理論の原則を応用し、あらゆる量子プロセスに関与する粒子数における根本的不確実性を分析する。
• この不確実性が、特に単一量子ビット状態の文脈における量子テレポーテーションプロトコルに与える影響を検討する。
• 分析は、単一の量子系がテレポーテーションされているのか、複数の系が関与しているのかを正確に特定できないことの可能性に焦点を当てる。
• 理論的推論を用いて、粒子数の不確実性が、実験的精度にかかわらず、テレポーテーションに根本的誤差をもたらすことを示す。
• 相対論的量子場理論における粒子数の保存が成り立たないことに基づく主張であり、これは単一のソース量子ビットの仮定を揺るがす。
• 論文は、テレポーテーションにおける誤差を任意に小さくすることはできないこと、理論的下限がパーセントレベルまたはそれ以下に設定されることを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 元の状態が破壊されても、量子テレポーテーションが単一量子ビットの完全な状態転送を達成できるか？
• RQ2 量子場理論における粒子数の不確実性が、量子テレポーテーションの忠実度を制限する役割を果たすか？
• RQ3 テレポーテーションに避けられない理論的誤差が存在し、それが完全な信頼性のある複製手順を不可能にするか？
• RQ4 元の状態を破壊するプロトコルを含むノーコピーテーブル定理を拡張できるか？
• RQ5 テレポーテーションにおける避けられない誤差は、現在の量子技術における実験的感度と比べてどうなるか？

主な発見

• 量子場理論における粒子数の固有の不確実性のため、1量子ビットの完全なテレポーテーションは根本的になされない。
• テレポーテーションにおける理論的誤差は避けられず、物理的プロセスに応じてパーセントレベルまたはそれ以下にまで小さくはできない。
• この誤差は、元の状態が破壊されてもテレポーテーションが完全な複製手順として機能すると信じられていることを無効にする。
• ノーコピーテーブル定理は、元の状態を破壊するプロトコルを含むように一般化され、いかなるようなプロトコルでも完全な忠実度を達成できないことが示された。
• 誤差は現在の実験では隠れてしまうほど小さいが、原理的には根本的な制限のままである。