[论文解读] 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 3

一句话总结

本文论证了即使在原始态被摧毁的情况下，单量子比特的完美量子隐形传态在量子场论中由于粒子数的固有不确定性而根本不可能实现。作者证明了隐形传态无法实现无懈可击的态传输，引入了不可避免的理论误差，其量级为百分之零点几或更小，从而将不可克隆定理推广至包含破坏性复制协议的情形。

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.

研究动机与目标

• 研究量子隐形传态是否可作为单量子比特的完美复制程序，即使原始态已被摧毁。
• 考察量子场论中粒子数不确定性作为实现完美隐形传态的根本障碍的作用。
• 挑战普遍认为隐形传态可实现无懈可击态传输的信念，识别出其中不可避免的理论误差。
• 将不可克隆定理推广至包含摧毁原始态的协议，将其适用范围从标准克隆扩展至此类情形。
• 评估此理论误差对当前及未来实验量子技术的实际影响。

提出的方法

• 本文应用量子场论的原理，分析任何量子过程中涉及粒子数的固有不确定性。
• 研究这种不确定性对量子隐形传态协议的影响，特别是在单量子比特态的背景下。
• 分析聚焦于精确判断是否仅有一个量子系统被隐形传态，还是多个系统被涉及的困难。
• 作者通过理论推理表明，粒子数的不确定性会引入根本性的误差，无论实验精度如何。
• 该论证基于相对论性量子场论中粒子数不守恒的事实，这破坏了单个源量子比特的假设。
• 本文推导出隐形传态的误差无法被任意缩小，其理论下限为百分之零点几或更小。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使原始态被摧毁，量子隐形传态能否实现单量子比特的完美态传输？
• RQ2 量子场论中的粒子数不确定性在限制量子隐形传态保真度方面起什么作用？
• RQ3 是否存在一个根本性的理论误差，使得隐形传态无法成为无懈可击的复制程序？
• RQ4 不可克隆定理能否扩展至包含摧毁原始态的协议？
• RQ5 隐形传态中不可避免的误差与当前量子技术实验灵敏度相比如何？

主要发现

• 由于量子场论中粒子数的固有不确定性，单量子比特的完美隐形传态在根本上是不可能的。
• 隐形传态中的理论误差是不可避免的，且无法降低至百分之零点几或更小，具体取决于物理过程。
• 该误差否定了隐形传态可作为完美复制程序的信念，即使原始态已被摧毁。
• 不可克隆定理被推广至包含破坏性复制协议的情形，表明任何此类协议都无法实现完美保真度。
• 该误差足够小，可在当前实验中保持隐蔽，但其本身在原则上仍是根本性限制。