Физики показывают, что невозможно маскировать квантовую информацию в корреляциях

Информация обычно хранится в физических системах, таких как устройства памяти. Но в новом исследовании физики исследовали альтернативный способ хранения и скрытия информации, который заключается в ее хранении только в квантовых корреляциях между двумя или более системами, а не в самих системах.

Эта идея, которая называется «маскировка», является способом сделать информацию недоступной для всех, не уничтожая ее (поскольку уничтожение квантовой информации невозможно).

Хотя предыдущие исследования показали, что можно маскировать классическую информацию, в новом исследовании физики показывают, что маскирование квантовой информации для двух систем вообще невозможно, за некоторыми исключениями. Результаты подчеркивают важное различие между классической и квантовой информацией и — из-за исключений — могут привести к потенциальным приложениям для тайного обмена квантовой информацией.

Физики Каван Моди из Университета Монаша в Австралии вместе с Аруном Кумаром Пати, Адити Сен (Де) и Уджвалом Сеном из Исследовательского института Хариш-Чандра в Индии опубликовали статью о невозможности маскировки квантовой информации в недавнем выпуске Physical Review Letters.

Без маскировки

«Квантовая информация во многом отличается от классической информации», — сказал Арун Пати изданию Phys.org. «Исследователи размышляли над этим вопросом с первых дней квантовой информации и придумали несколько важных результатов (теорем), таких как отсутствие копирования, отсутствие удаления и сокрытия.

Как показывают их названия, эти теоремы запрещают копирование, удаление и скрытие квантовой информации — все операции, которые допустимы для классической информации. Разница возникает потому, что теоремы «No-go» возникают непосредственно из фундаментальных законов квантовой механики и поэтому не имеют классических аналогов, что говорит о том, что квантовая информация в некотором смысле более надежна, чем классическая.

Новое исследование добавляет еще одну теорему «No-go» в список: теорему No-masking. Физики доказали, что невозможно сопоставить квантовую информацию (в виде квантовых состояний) из одной физической системы, A, с квантовыми корреляциями между A и второй физической системой, B, таким образом, чтобы ни A, ни B не содержали эту информацию. То есть невозможно полностью хранить квантовую информацию в корреляциях, в некотором смысле «распределяя ее» между двумя системами.

«В процессе маскировки мы задаем вопрос: если квантовая информация не существует ни в подсистеме А, ни в подсистеме В, может ли эта информация оставаться только в квантовых корреляциях, которые Эйнштейн называл «жуткими»? — говорят ученые. «Маскировка имеет много общего с полной защитой информации в обеих подсистемах, так что невозможно считывать либо A, либо B. Затем мы доказываем, что если квантовая информация слепа для обеих подсистем A и B, и мы хотите, чтобы информация скрывалась только в «жуткой» корреляции, то это не допускается квантовой механикой».

Последствия невозможности

Одним из следствий новых результатов является то, что они показывают, что невозможно разработать «протокол обязательств кубитов», который обобщает знаменитые результаты «без бит-обязательств». Эта линия исследований затрагивает вопрос о том, может ли одна сторона взять на себя обязательство выбрать состояние бита (0 или 1) или — в новом результате — кубита (0, 1 или суперпозиция обоих).

Предыдущие исследования показали, что обязательство невозможно для бит, и новое исследование теперь добавляет, что это невозможно и для кубитов. Это означает, что кто-то всегда может обмануть, притворяясь, что выбирает состояние кубит, но затем переключается. Как объясняют физики, результаты обязательств No-bit/qubit имеют важное значение для разработки безопасных протоколов квантовой связи.

«Одним из наиболее важных последствий теоремы без маскировки является то, что это приводит к новому результату невозможности, а именно к обязательству без кубита»,-говорят исследователи. «Поскольку невозможно скрыть информацию только в корреляциях, невозможно сделать Алису и Боба слепыми к квантовой информации. Другими словами, две стороны не могут быть слепы одновременно, если квантовая информация кодируется в совместных двудольных состояниях. Можно либо видеть, либо нет. В любом случае информация не может храниться в секрете только в корреляциях. Это сильнее, чем no-bit протокол».

В будущем физики планируют дополнительно исследовать теорему без маскировки и ее исключения — маскируемые множества и частичные маски. «Это может оказаться полезным для разработки квантовых информационных протоколов, которые требуют сокрытия и тайного обмена квантовой информацией» — говорят исследователи.

Больше информации: Kavan Modi et al. «Masking Quantum Information is Impossible.» Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.230501