Kvantetilstande afslører sig selv med et målbart fingeraftryk

Forskere, der arbejder i Singapore og USA, har opdaget, at alle sammenfiltrede tilstande af to partikler har et klassisk 'fingeraftryk'. Dette gennembrud kan hjælpe ingeniører med at beskytte sig mod fejl og enheder, der ikke gør, hvad de lover inden for kvantecomputere og kvantekryptografi.

Goh Koon Tong og Valerio Scarani ved Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore, med Andrea Coladangelo ved California Institute of Technology, rapporteret i Naturkommunikation den 26. maj, at et simpelt sæt målinger kan fungere som en identitetskontrol for en hvilken som helst to-partikel sammenfiltret tilstand. Tilstedeværelsen af ​​dette fingeraftryk kan hjælpe med at certificere kvantecomputere eller kvantekrypteringsenheder købt fra tredjeparter.

En sammenfiltret kvantetilstand er lavet af to eller flere partikler holdt i et væld af uafklarede udfald. Sådanne tilstande er brændstof til kvanteberegning og bringer sikkerhed til kvantekommunikation. Problemet er, det er svært at kontrollere, at disse stater har de egenskaber, der forventes af dem. Det lader døren stå åben for dårligt fungerende enheder.

"Jeg kan godt lide at se vores arbejde som at bringe kraften ved at teste kvanteenheder til de forbrugere, der bruger dem. I øjeblikket, kun de, der bygger enhederne eller forstår det tekniske aspekt af dem, kan udføre testen, " siger Goh. Kvantefysikere kunne også bruge dette 'selvtestende' værktøj som et kontroltrin i laboratorieeksperimenter.

Arbejdet bygger på resultater fra andre grupper, udvidelse af resultaterne for qubits til de mere eksotiske qudits. Qudits er højere-dimensionelle kvantebits. I stedet for blot at gemme en binær bit information - et 0 eller 1 - har en qudit større informationstæthed, gemmer en 0, 1, 2, 3, 4, osv. Sådanne tilstande, selvom det er svært at lave, er interessante, fordi de kunne fremskynde nogle computer- eller kommunikationsopgaver.

Ideen med selvtest er vigtig, fordi det generelt er svært at få en masse information om en partikels kvantetilstand. En partikels tilstand beskrives ved en 'bølgefunktion', der koder for sandsynligheden for partiklens forskellige egenskaber, såsom polarisering eller momentum. For at være sikker på en kvantetilstand, du skal kende hele bølgefunktionen. Imidlertid, der er et problem her. Måling af kvantetilstanden afslører kun én værdi - ikke det fulde sæt af muligheder.

Den traditionelle måde at forsøge at lære den fulde kvantetilstand på involverer en teknik kaldet tomografi. Dette kræver måling af mange kopier af kvantetilstanden på forskellige måder, optælling af alle resultaterne af de forskellige målinger for at give et komplet sæt af sandsynligheder. Det involverer også en møjsommelig proces med at karakterisere måleanordningerne og justere dem med kilden til kvantepartiklerne.

Selvtest er mere effektivt, kræver færre målinger. Den er også 'enhedsuafhængig', eller som blind tomografi - kræver ingen karakterisering af måleinstrumentet, så længe enheden med garanti vil opdage de fleste partikler. Dette skyldes, at fingeraftrykket er et mønster af resultater på tværs af målinger af de to partikler, der kun kunne skabes konsekvent af de mærkelige korrelationer i kvantetilstanden, ikke ved nogen klassisk proces eller tilfældigt. At se dette mønster betyder så, at kvantetilstanden skal være til stede.

Det berømte 'CHSH-eksperiment' i kvantefysik er et eksempel på fingeraftryk for en kvantetilstand på to qubits. For at bevise, at der findes fingeraftrykstests for alle to-qudit-tilstande, forfatterne viste, at disse tilstande kan betragtes som sammensat af blokke af to-niveau systemer, beslægtet med qubits. Endnu bedre, denne matematiske ækvivalens peger på, hvilke målinger der er nødvendige - selvom det endnu ikke er klart, om de er eksperimentelt venlige at lave.

Holdet håber, at denne opdagelse vil motivere en ny bølge af forskning for at finde ligetil måder at inkorporere denne kontrol i eksperimenter eller enheder. Indtil nu, tegnene er gode. "Af alt mit arbejde i de sidste fem år, dette har tiltrukket sig mest opmærksomhed, " siger Scarani. Udover at høre fra kolleger, der er interesserede i resultatet, han er blevet inviteret til at holde et foredrag om selvtest på QCrypt, en årlig konference om kvantekryptografi, der i år afholdes i Storbritannien i september.