فیزیکدانان توانستند با استفاده از یکی از قضایای کلیدی نظریه اطلاعات کوانتومی، لم کوانتومی تعمیم یافته استاین، یک مسئله ریاضی دیرینه را حل کنند. این قضیه اساس ایده های مدرن در مورد چگونگی تمایز بین حالت های کوانتومی و نحوه تبدیل “منابع کوانتومی” به یکدیگر است. این کار در مجله Nature Physics منتشر شد.
نظریه اطلاعات کوانتومی روشهای ذخیره و پردازش دادهها را در سیستمهایی مطالعه میکند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی میکنند. در این راستا، به اصطلاح نظریه منابع در حال توسعه است – فرمالیسمی که توضیح می دهد اگر تنها مجموعه محدودی از عملیات مجاز باشد، چه تغییراتی ممکن است. یکی از سنگ بنای اینجا، لم کوانتومی تعمیم یافته استین است که در سال 2008 فرموله شد، که تشریح می کند چگونه به طور موثر یک حالت کوانتومی را می توان از مجموعه ای از حالت های جایگزین متمایز کرد.
چند سال پیش، محققان دریافتند که یک نقص منطقی در اثبات اصلی قضیه وجود دارد. این سؤالاتی را در مورد درستی برخی از آثار با استفاده از این نتیجه ایجاد می کند. تلاشهایی برای از بین بردن این شکاف قبلاً انجام شده بود، اما موفقیتآمیز نبود.
اکنون، نویسندگان مقاله جدید سعی کرده اند با ارائه استدلال های ریاضی اضافی و حذف مفروضات بحث برانگیز، اثبات را با دقت بازسازی کنند. به گفته آنها، این اجازه می دهد تا لم استاین به عنوان ابزاری قابل اعتماد در نظریه اطلاعات کوانتومی مورد استفاده مجدد قرار گیرد.
یکی از نویسندگان مقاله توضیح می دهد: “لم کوانتومی تعمیم یافته استاین بیانی از حدود فرضیه کوانتومی است. مشکل این است که اثبات قبلی تمام شرایط لازم برای مجموعه حالت های جایگزین را در نظر نگرفته است.”
دانشمندان در طول تحقیقات خود نشان دادند که تبدیل منابع کوانتومی از قانون جهانی مشابه قانون دوم ترمودینامیک پیروی می کند. این بدان معناست که انواع مختلف منابع کوانتومی را می توان بر اساس قوانین یکپارچه، بر اساس سرعت آن تبدیل، مقایسه و به یکدیگر تبدیل کرد.
محققان خاطرنشان کردند: «در واقع، ما موفق شدهایم «قانون دوم» را برای نظریههای منابع کوانتومی دوباره برقرار کنیم.
به گفته آنها، این نتیجه نه تنها برای فیزیک بنیادی، بلکه برای مسائل عملی نیز مهم است: مبنای ریاضی قابل اعتماد تری برای ارزیابی قابلیت های رایانه های کوانتومی و سایر دستگاه های کوانتومی فراهم می کند.
در آینده، نویسندگان قصد دارند این روش را برای توصیف به اصطلاح منابع کوانتومی پویا – فرآیندها و فعالیت ها، نه فقط حالت ها، توسعه دهند. این می تواند به درک بهتر محدودیت های کنترل سیستم های کوانتومی کمک کند و منجر به ایجاد فناوری های کوانتومی کارآمدتر شود.