Wissenschaftler haben einen halbgeräteunabhängigen, zufallsfreien Test für quantenmechanische Korrelationen entwickelt.

6. Oktober 2023

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von Tejasri Gururaj, Phys.org

In einer neuen Studie von Physical Review Letters haben Wissenschaftler erfolgreich einen Proof of Concept vorgelegt, um einen zufallsfreien Test für Quantenkorrelationen und nicht-projektive Messungen zu demonstrieren, der eine bahnbrechende Alternative zu herkömmlichen Quantentests bietet, die auf zufälligen Eingaben basieren.

„Quantenkorrelation“ ist ein grundlegendes Phänomen der Quantenmechanik und von zentraler Bedeutung für Quantenanwendungen wie Kommunikation, Kryptographie, Computer und Informationsverarbeitung.

Die Bell-Ungleichung oder Bell-Theorie, benannt nach dem Physiker John Stewart Bell, ist der Standardtest zur Bestimmung der Art der Korrelation. Eine der Herausforderungen bei der Verwendung des Bell-Theorems ist jedoch das Erfordernis der Zufälligkeit der Startwerte für die Auswahl der Messeinstellungen.

Mit anderen Worten: Die Eingaben für das Experiment müssen wirklich zufällig sein, was die Herausforderung darstellt. Darüber hinaus kann die Seed-Zufälligkeit teuer und anfällig für Lücken sein.

Die neue Studie unter der Leitung von Dr. Jacquiline Romero von der University of Queensland und dem Australian Research Council Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems macht diese Zufälligkeit überflüssig, indem sie einen alternativen Test vorschlägt.

Dr. Romero erklärte dies gegenüber Phys.org mit den Worten: „Unsere Arbeit macht diese strenge Anforderung der Zufälligkeit überflüssig.“ Wir zeigen, dass die gemeinsame (oder korrelierte) Zufälligkeit, die durch verschränkte Münzen entsteht, nicht mit zwei zweistufigen, klassisch korrelierten Münzen reproduziert werden kann. „Diese Entdeckung ermöglicht es uns, einen Quantenvorteil in dem in unserer Arbeit beschriebenen Spielzeugspiel zu etablieren.“

Sie brachte auch ihre Begeisterung für diese Forschung zum Ausdruck und sagte: „Ich bin immer auf der Suche nach Experimenten, die den Unterschied zwischen klassischer und Quanteninformation hervorheben, weil diese Experimente Neugier wecken.“

Die reale Implementierung von Quantensystemen und -protokollen ist aus vielen Gründen eine Herausforderung. Eine der größten Herausforderungen ist die Notwendigkeit einer idealisierten Modellierung und eines detaillierten Verständnisses aller ihrer Teile. Ohne dieses Wissen werden diese Protokolle anfällig für verschiedene Bedrohungen.

Tatsächlich verfügen wir jedoch nicht über alle Informationen über das Quantensystem. Co-Autor der Studie, Dr. Manik Banik vom S.N. Das Bose National Center for Basic Sciences in Indien erklärte: „In der Praxis dient die Bellsche Ungleichung als entscheidendes Werkzeug, um Nichtklassizität auf ‚geräteunabhängige‘ Weise zu zertifizieren und völlig geräteunabhängige Protokolle ohne detaillierte Kenntnisse der Quantengeräteoperationen zu ermöglichen.“ '

„Praxisszenarien erfordern jedoch häufig Teilwissen über Geräteeigenschaften, was zu einer teilweisen Geräteunabhängigkeit führt.“

In solchen Situationen verfügen wir über einige Informationen über das Quantensystem, beispielsweise über die Dimensionen der beteiligten Subsysteme, aber nicht über ein vollständiges Verständnis seiner inneren Funktionsweise. Genau das hat das Team getan.

„Wir schlagen eine Lösung für diese Nicht-Klassizitätszertifizierungsaufgabe nur anhand von Ausgabestatistiken vor, es sind jedoch zusätzliche Informationen über die interne Funktionsweise des Geräts erforderlich, nämlich die Betriebsdimension.“ „Dieses zusätzliche, wenn auch minimale Wissen über das Gerät verleiht der Technik einen halb geräteunabhängigen Status“, erklärte ein anderer Co-Autor, Some Sankar Bhattacharya von der Universität Danzig, Polen.

Der experimentelle Aufbau des Teams basierte auf der Erzeugung verschränkter Photonen mithilfe eines nichtlinearen Kristalls durch einen Prozess, der als spontane parametrische Abwärtskonvertierung (SPDC) bekannt ist.

Im Wesentlichen nimmt der SPDC-Prozess in einem nichtlinearen Kristall die hochenergetischen Pumpphotonen auf, absorbiert sie und erzeugt spontan Paare von verschränkten Photonen mit niedrigerer Energie.

Die verschränkten Photonen wurden dann mithilfe eines Strahlteilers zufällig zu den beiden Parteien Alice und Bob geschickt. Alice und Bob haben die räumlichen Moden der Photonen gemessen, eine Eigenschaft, die beschreibt, wie die Photonen im Raum verteilt sind.

Um die Messungen an den verschränkten Photonen durchzuführen, verwendeten Alice und Bob Qubit-Trigon-positive Operator-Value-Maße oder POVMs, bei denen es sich um eine Reihe von Messoperatoren handelt, die nichtprojektive Messungen darstellen.

Nichtprojektive Messungen sind Quantenmessungen, die über standardmäßige projektive Messungen hinausgehen und eine umfassendere Charakterisierung von Quantensystemen ermöglichen.

Als nächstes zeichnete das Team die Ergebnisse jedes Mal auf, wenn es ein korreliertes Ergebnis zwischen Alice und Bob gab. Anschließend führten sie Berechnungen durch, um gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu bestimmen, die es ihnen ermöglichten, die Wahrscheinlichkeit des Erhalts spezifischer Messergebnisse abzuschätzen, die zwischen Alice und Bob korrelierten.

Wenn sie zum Beispiel ein Spiel mit den verschränkten Photonen spielen und messen würden, ob sie beide Kopf (H) oder Zahl (T) bekommen, würde ihnen eine gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung die Wahrscheinlichkeit sagen, dass beide H bekommen, beide T bekommen oder einer bekommt H und der andere bekommt T.

Der Aufbau ist halb geräteunabhängig, da die einzigen bekannten Variablen der Eingang (verschränkte Photonen) und der Ausgang (Messungen) waren.

Im Bereich der Quantensysteme stellt die Vorstellung eines Quantenvorteils die klassischen Vorstellungen von Zufälligkeit in Frage. In diesem Experiment geht es darum, die gemeinsame Zufälligkeit zu demonstrieren.

Klassische Systeme wie das Münzwerfen weisen jedem möglichen Ergebnis vorher festgelegte Wahrscheinlichkeiten zu. Beispielsweise besteht bei einer fairen Münze eine Wahrscheinlichkeit von 50 %, dass sie bei jedem Wurf entweder auf H oder T landet. In einem Quantensystem sehen wir jedoch korrelierte Ergebnisse, die völlig zufällig erscheinen, aber grundsätzlich miteinander verknüpft sind.

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem Alice und Bob unabhängig voneinander ihre jeweiligen Münzen werfen. Bemerkenswert ist, dass die Ergebnisse ihrer Münzwürfe auf mysteriöse Weise miteinander verknüpft sind. Wenn Alice ein H bekommt, bekommt Bob gleichzeitig ein H, und wenn Alice ein T bekommt, bekommt auch Bob ein T.

Diese gemeinsame Zufälligkeit entsteht durch Quantenverschränkung, bei der Teilchen miteinander verbunden werden und ihre Eigenschaften unabhängig von der physikalischen Trennung korrelieren.

Das Team demonstrierte durch sein Experiment einen Quantenvorteil, indem es zeigte, dass die aus den verschränkten Photonen erhaltene korrelierte Münze nicht mit zwei klassischen korrelierten Münzen mit zwei Ebenen repliziert werden kann.

Dr. Romero erläuterte die Auswirkungen auf die Quanteninformationsverarbeitung: „Gemeinsame (oder korrelierte) Zufälligkeit ist eine nützliche Ressource für viele Aufgaben.“

„Quantenkommunikationsprotokolle, wie etwa bestimmte Schemata zur gemeinsamen Nutzung von Geheimnissen oder Quantenberechnungen mit einer Zufallsverteilungskomponente (die nachweislich die Sicherheit erhöht), werden von unseren Ergebnissen profitieren.“

Für zukünftige Studien hofft sie, die Möglichkeit zu erkunden, Quantenvorteile geräteunabhängig zu machen und dies experimentell zu demonstrieren.

Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters

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