[论文解读] Useless Qubits in "Relativistic Quantum Information"

Fay Dowker|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2011

Quantum Mechanics and Applications参考文献 2被引用 9

一句话总结

本文主张，在相对论性量子信息（RQI）中常用的单粒子态可观测量，若通过理想测量进行测量，将导致超光速信号传递（SS），从而违反相对论性因果律。文章表明，即使在受限的盒子内，此类可观测量在本质上也是非局域的，因此除非改用超局域测量，否则其在量子信息协议中的有效性将受到质疑。

ABSTRACT

I draw attention to previous work that shows that the observables corresponding to relativistic quantum field modes commonly employed in papers on "relativistic quantum information" cannot be measured by ideal measurements.

研究动机与目标

• 挑战相对论性量子场论（RQFT）中单粒子态可观测量可通过理想测量实现的假设。
• 证明测量此类可观测量会导致空间受限区域内各代理之间产生超光速信号传递（SS）。
• 主张标准的“相对论性LOCC”框架必须修改，要求采用“超局域”操作以维持因果律。
• 质疑基于不可测量可观测量的纠缠度量与信息处理协议在RQFT中的物理相关性。
• 强调量子信息模型应建立在物理上可实现的测量之上，而非理想化的非局域模式投影。

提出的方法

• 通过时空超曲面 Σ 分析理想测量对RQFT中单粒子态可观测量的影响。
• 将论证扩展至闵氏时空及全局双曲时空，包括具有反射边界条件的盒中量子场论。
• 利用一个 gedankenexperiment，设置两名代理——一名位于 Σ 之前，一名位于 Σ 之后——以证明非超局域测量允许超光速信号传递。
• 将理想测量与毁灭性测量（如Beckman等人所讨论）进行比较，表明后者不适用于量子信息任务。
• 确立仅由 Σ 上各点处的超局域算符组成的幺正变换才是因果安全的。
• 将“相对论性LOCC”中的“局域”一词替换为“超局域”，以维持相对论性因果律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RQFT中，是否能物理实现对单粒子态可观测量的理想测量而不违反相对论性因果律？
• RQ2 当所用可观测量因非局域性而不可测量时，对量子信息处理有何影响？
• RQ3 为何非局域模式可观测量的使用会使RQI中纠缠度量的定义变得有问题？
• RQ4 在受限时空区域内，非超局域测量如何导致超光速信号传递？
• RQ5 为确保量子信息协议中的因果性，对“相对论性LOCC”形式化体系需作何修改？

主要发现

• 在RQFT中，若不引发超光速信号传递（SS），则无法通过理想测量实现单粒子态可观测量的测量，从而违反相对论性因果律。
• 即使在具有反射边界条件的受限空间盒子内，单粒子态可观测量仍具有高度非局域性，阻碍因果测量的实现。
• 仅由时空超曲面 Σ 上各点处的超局域算符组成的幺正变换才是因果安全的，并与相对论性量子场论一致。
• 若理想测量的投影导致SS，则其假设“投影到单粒子态”在物理上是站不住脚的。
• 基于不可测量可观测量的纠缠度量与信息处理协议在实际实验中缺乏物理基础。
• “相对论性LOCC”的形式化体系必须修改，将“局域”替换为“超局域”，以维持因果性，因为非局域操作本质上会允许SS。