Vědci vyvinuli univerzální kvantový protokol: Získá maximum energie i bez znalosti stavu systému

Vědci z Tokijské univerzity představili nový univerzální kvantový protokol, který umožňuje extrahovat maximální množství práce z kvantového systému, aniž by bylo nutné předem znát jeho přesný stav.

Vědci z Tokijské univerzity představili nový univerzální kvantový protokol, který umožňuje extrahovat maximální množství práce z kvantového systému, aniž by bylo nutné předem znát jeho přesný stav. Tento objev, publikovaný v časopise Nature Communications, zásadně mění dosavadní předpoklady v oblasti kvantové termodynamiky, která zkoumá limity manipulace s hmotou v nanorozměrech. Dosud se mělo za to, že pro optimální získání práce z kvantového systému je nezbytná detailní znalost jeho kvantového stavu, což je v praxi často obtížné a nákladné.

Přesné určení kvantového stavu vyžaduje složité a energeticky náročné tomografické metody, které spotřebují exponenciálně mnoho kopií systému. To představuje významnou překážku pro experimentální využití kvantových systémů, neboť stavy jsou často ovlivněny neznámým šumem nebo jsou výsledkem komplexních kvantových obvodů. Nový výzkum se zaměřil na otázku, zda lze optimální extrakce práce dosáhnout i u neznámého kvantového stavu.

Klíčovým poznatkem vědců bylo využití permutační symetrie, která je vlastní mnoha identickým kopiím neznámého stavu. Jejich univerzální protokol funguje ve třech fázích. Nejprve se na skupiny kopií aplikuje matematický nástroj zvaný Schurův stlačovací kanál, který převede stav do klasické diagonální formy. Následně se na malou část zbývajících kopií provedou nekoherentní měření pro odhad relativní entropie stavu, což je veličina určující asymptotickou extrahovatelnou práci. Tato frakce roste mnohem pomaleji než celkový počet dostupných kopií, čímž se zachovává celková rychlost extrakce práce. Nakonec se tento odhadovaný údaj použije ve známém protokolu pro extrakci práce, který aplikuje vhodnou transformaci šetřící energii.

Vědci zjistili, že jejich univerzální protokol dosahuje stejné optimální rychlosti extrakce práce jako protokoly, které předpokládají předchozí znalost stavu. To znamená, že neznalost kvantového stavu předem nesnižuje množství extrahovatelné práce. Zjištění přesahují kvantovou termodynamiku a mají význam pro širší třídu úloh v teorii kvantových zdrojů, kde se hlučné kvantové stavy převádějí na užitečné. Budoucí výzkum se zaměří na rozšíření protokolu na další úlohy destilace zdrojů a na práci s nekonečněrozměrnými kvantovými systémy, což je fyzikálně důležité. Tento přístup by mohl pomoci při konstrukci kvantových operací pro různé úlohy zpracování kvantových informací bez předchozí znalosti kvantových stavů nebo procesů.