Kvantförveckling – en koppling mellan partiklar som skapar korrelationer som går utöver vad som är klassiskt möjligt – kommer att utgöra ryggraden i framtidens kvantteknik, inklusive säker kommunikation, kvantmolnberäkning och distribuerad avkänning. Men förveckling är ömtålig; störningar från omgivningen försämrar förvecklade tillstånd över tid, vilket gör att forskare söker efter metoder för att förbättra trovärdigheten hos störda förvecklade tillstånd.
Nu har forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME), University of Illinois Urbana-Champaign och Microsoft visat att det är i princip omöjligt att utforma ett enda protokoll som passar alla för att motverka detta brus.
”Inom kvantinformation hoppas vi ofta på ett protokoll som fungerar i alla scenarier – en sorts universalmedel”, säger biträdande professor Tian Zhong, seniorförfattare till den nya studien som publicerats i Physical Review Letters. ”Detta resultat visar att när det gäller att rena entanglement är det helt enkelt för bra för att vara sant.”
Resultaten, säger han, understryker istället vikten av att skräddarsy lösningar för att minimera brus till specifika kvantsystem.
Sökandet efter lösningar
För att motverka försämringen av sammanflätade tillstånd på grund av brus använder forskare ofta protokoll för reningsprocesser (EPP), som kombinerar flera ofullkomliga sammanflätade par för att försöka extrahera färre par med mindre brus. Men teamet visste att vissa system är svåra att rena från brus – ofta eftersom ingångstillstånden för EPP nästan aldrig är identiska i verkligheten. Sammanflätade tillstånd varierar beroende på hur och när de skapas, lagras och bearbetas.
Doktoranden Allen Zang från UChicago PME och Xinan Chen från UIUC är medförfattare till denna artikel.
”Vi visste att befintliga ingångsoberoende protokoll inte garanterar att de förbättrar trovärdigheten hos de sammanflätade tillstånden”, säger Zang.
”Vi undrade om det fanns något protokoll som alltid kunde garantera förbättringar, en egenskap som vi kallar universalitet”, säger Chen.
Zang, Chen och deras kollegor började med att ta itu med frågan inom en uppsättning allmänt använda EPP:er och tillämpade protokollen på kända kvantoperationer. Idén om ”universalitet” misslyckades dock. Förvånade utvidgade de sin analys till alla matematiskt möjliga reningsmetoder som är tillåtna enligt kvantmekanikens regler.
Resultatet var fortfarande detsamma: Det finns inget universellt EPP som garanterat förbättrar trovärdigheten hos entangled states i alla möjliga kvantsystem.
”Det är viktigt att poängtera att vi inte säger att reningsprotokoll inte fungerar”, säger Eric Chitambar, docent i elektro- och datateknik vid UIUC. ”Men ingen enskild metod fungerar i alla fall.”
En grundläggande begränsning
Arbetet har verkliga konsekvenser för utformningen av kvantkommunikationsnätverk, där sammanflätade tillstånd måste genereras, lagras och överföras över långa avstånd. I dessa system kan det vara kontraproduktivt att blint tillämpa ett reningsprotokoll utan att känna till systemets exakta tillstånd.
Istället, säger författarna, erbjuder resultaten vägledning: istället för att söka efter en universell lösning bör forskare fokusera på att skräddarsy felhanteringsstrategier för de specifika system och felmodeller de arbetar med.
”Detta resultat säger oss att vi inte ska slösa tid på att söka efter ett protokoll som inte finns, utan istället lägga mer vikt på att förstå de unika egenskaperna hos specifika kvantsystem”, säger Martin Suchara, produktchef på Microsoft, en av medförfattarna.
Teamet undersöker nu hur denna typ av teoretiska gränser kan tillämpas på andra kvantresurser. De undersöker också om anpassade reningsmetoder fortfarande kan utvecklas för system med välkända fel – eller om en nästan universell metod kan finnas under strängare begränsningar.
Mer information: Allen Zang et al, No-Go Theorems for Universal Entanglement Purification, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.190803. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2407.21760
