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物理学家表明在信息相关性中掩蔽量子计算是不可能的

信息通常存储在物理系统中,例如存储设备。但在一项新的研究中,物理学家研究了另一种存储和隐藏信息的方法,即将信息只存储在两个或更多系统之间的量子计算相关性中,而不是存储在系统本身中。这种被称为“掩蔽(mask)”的想法是让每个人都无法访问信息而不会破坏信息的一种方式(因为摧毁量子信息是不可能的)。

物理学家表明在信息相关性中掩蔽量子计算是不可能的

虽然以前的研究表明掩蔽经典信息是可能的,但在新的研究中,物理学家表明掩蔽两个系统的量子信息在一般情况下是不可能的,但也存在例外情况。该结果突出显示了经典信息和量子信息之间的重要区别,并且由于例外情况,可能导致秘密地共享量子信息的潜在应用。

澳大利亚莫纳什大学的物理学家Kavan Modi以及印度Harish-Chandra研究所的Ariti Kumar Pati,Aditi Sen(De)和Ujjwal Sen在最近的一期《物理评论快报》中发表了一篇论文研究了关于掩蔽量子信息的不可能性。

  量子计算禁止掩蔽(No masking)

“量子信息在很多方面都不同于传统信息。” Ariti Kumar Pati说。“自量子信息早期以来,研究人员一直在思考这个问题,并提出了几个重要的禁止做结果,如禁止克隆(no-cloning)、禁止删除(no-deleting)和禁止隐藏定理(no-hiding theorem)。”(2007年,Pati和合著者Samuel Braunstein证明了禁止隐藏定理)

正如他们的名字所表明的,这些禁止做定理(no-go theorem)禁止克隆、删除和隐藏量子信息——而对于传统信息来说所有操作都是允许的。这种差异的产生是因为禁止定律直接来源于量子力学的基本定律,所以没有经典的对应物,这表明量子信息在某种意义上比经典信息更强大。

这项新研究增加了另一个禁止做定理:禁止掩蔽定理。物理学家证明,将量子信息(以量子态的形式)从一个物理系统A 映射到A与第二物理系统B之间的量子关联是不可能的,这样A和B都不包含那个信息。也就是说,将量子信息完全存储在相关性中是不可能的,从某种意义上来说,它就是“分散”在两个系统之间。

“在掩蔽过程中,我们提出这样一个问题:如果量子信息既不在子系统A中,也不在子系统B中,那么这些信息是否只存在于量子相关性中?而这就是爱因斯坦称之为’幽灵的’相关性?”Kavan Modi说。“掩蔽更多的是在两个子系统中完全屏蔽信息,使得不可能由A或B读出。然后,我们证明,如果量子信息对子系统A和B都不可见,并且我们想要保持隐藏的信息只在’幽灵的’相关性中,那么这是量子力学所不允许的。”

  量子计算值得注意的例外

虽然禁止掩蔽定理适用于任意量子态,但物理学家还表明,有大量惊人的特殊量子态是可掩蔽的。对于禁止克隆和禁止删除定理也存在类似的例外,其中对于某些量子态例如正交态(orthogonal states)同样可以克隆和删除。这些研究结果一起表明量子信息和经典信息之间的界限是多么模糊。

禁止掩蔽定理的进一步警告是它仅适用于两个系统。当包含第三个系统时,物理学家表明,对于任意的量子态,掩蔽都是可能的。然而,科学家们指出,有办法绕过这种掩蔽,至少可以部分绕过。

“任何两方之间的串通可以通过使用称为纠错码的策略来揭示部分掩蔽的量子信息,该策略涉及在多体状态(in multipartite states)下编码量子信息。” Aditi Sen(De)说。

  量子计算不可能性影响

新结果的意义之一是它们表明设计一个“量子比特承诺协议(qubit commitment protocol)”是不可能的,该协议概括了“无比特承诺(no bit commitment)”的著名结果。这一系研究解决了一方是否有可能承诺选择一个比特(bit) (0或1)的状态或者——在新结果中——一个量子比特(qubit) (0,1或两者的叠加)状态的问题。以前的研究表明,对于比特的承诺是不可能的,且新研究现在补充说,对于量子比特也是不可能的。这意味着有人总是可以假装选择一个量子比特状态,但随后进行切换。正如物理学家解释的那样,禁止比特/量子比特承诺结果(no-bit/qubit commitment results)对设计安全量子通信协议具有重要意义。

“禁止掩蔽定理的一个最重要的意义是,这导致了新的不可能性结果,即禁止量子比特承诺。” Ariti Kumar Pati说。“由于仅在相关性中隐藏信息不可能,因此不可能使Alice和Bob对量子信息不可见。换句话说,如果量子信息被编码在联合二体态(joint bipartite states)中,那么双方不能同时处于不可见状态。一方可以不可见,但双方不可见的状态不可能同时存在。在任何一种情况下,信息都不可能仅在相关性中保密。这比禁止比特承诺协议更加强有力。”

未来,物理学家计划进一步研究禁止掩蔽定理及其例外情况——可掩蔽集合和部分掩蔽者。

“这可能对设计需要隐藏和秘密共享量子信息的量子信息协议有用。” Aditi Sen(De)说。

本文由量客专栏作者Yunwuxian整理发布,转载请注明出处:https://www.qtumist.com/post/2805

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