Los científicos desarrollan una prueba semi-independiente de dispositivos y sin aleatoriedad para la correlación cuántica.

6 de octubre de 2023

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por Tejasri Gururaj, Phys.org

En un nuevo estudio de Physical Review Letters, los científicos han presentado exitosamente una prueba de concepto para demostrar una prueba de correlaciones cuánticas sin aleatoriedad y medidas no proyectivas, ofreciendo una alternativa revolucionaria a las pruebas cuánticas tradicionales que dependen de entradas aleatorias. 

La "correlación cuántica" es un fenómeno fundamental en la mecánica cuántica y es central para aplicaciones cuánticas como la comunicación, la criptografía, la computación y el procesamiento de información.

La desigualdad de Bell, o la teoría de Bell, que lleva el nombre del físico John Stewart Bell, es la prueba estándar utilizada para determinar la naturaleza de la correlación. Sin embargo, uno de los desafíos al usar el teorema de Bell es la necesidad de aleatoriedad en las semillas para seleccionar las configuraciones de medición.

En otras palabras, las entradas para el experimento deben ser verdaderamente aleatorias, lo cual es un desafío. Además, la aleatoriedad en las semillas puede ser costosa y vulnerable a lagunas.

El nuevo estudio, liderado por la Dra. Jacquiline Romero de la Universidad de Queensland y el Centro de Excelencia en Sistemas Cuánticos Ingeniados del Consejo Australiano de Investigación, elimina la necesidad de esta aleatoriedad en las semillas al proponer una prueba alternativa.

La Dra. Romero explicó esto a Phys.org, diciendo: "Nuestro trabajo elimina este requisito estricto de aleatoriedad. Demostramos que la aleatoriedad compartida (o correlacionada) adquirida de monedas entrelazadas no se puede replicar utilizando dos monedas clásicamente correlacionadas de dos niveles. Este descubrimiento nos permite establecer una ventaja cuántica en el juego de juguete descrito en nuestro artículo".

También expresó su entusiasmo por esta investigación, diciendo: "Siempre estoy atenta a los experimentos que destacan la diferencia entre la información clásica y cuántica porque estos experimentos despiertan la curiosidad".

La implementación en la vida real de sistemas y protocolos cuánticos presenta desafíos debido a muchas razones. Uno de los principales desafíos es la necesidad de modelar idealmente y comprender en detalle todas sus partes. Sin este conocimiento, estos protocolos se vuelven vulnerables a varias amenazas.

Sin embargo, en realidad, no tenemos toda la información sobre el sistema cuántico. El coautor del estudio, el Dr. Manik Banik del Centro Nacional S.N. Bose para Ciencias Básicas en India, explicó: "En la práctica, la desigualdad de Bell sirve como una herramienta crucial para certificar la no clasicidad de manera 'independiente del dispositivo', permitiendo protocolos completamente independientes del dispositivo sin un conocimiento detallado de las operaciones del dispositivo cuántico".

"Sin embargo, los escenarios prácticos a menudo involucran un conocimiento parcial sobre las características del dispositivo, lo que conduce a una semidependencia del dispositivo".

En estas situaciones, poseemos cierta información sobre el sistema cuántico, como las dimensiones de los subsistemas involucrados, pero no una comprensión completa de su funcionamiento interno. Esto es precisamente lo que hizo el equipo.

"Proponemos una solución para esta tarea de certificación de no clasicidad solo a partir de estadísticas de salida, pero se requiere información adicional sobre el funcionamiento interno del dispositivo, es decir, la dimensión operativa. Este conocimiento adicional, aunque mínimo, sobre el dispositivo otorga a la técnica un estado de semidependencia del dispositivo", explicó otro coautor, Some Sankar Bhattacharya, de la Universidad de Gdansk, Polonia.

La configuración experimental del equipo se basó en la producción de fotones entrelazados utilizando un cristal no lineal a través de un proceso conocido como conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC).

En esencia, el proceso SPDC en un cristal no lineal toma los fotones de bombeo de alta energía, los absorbe y genera espontáneamente pares de fotones entrelazados de menor energía.

Los fotones entrelazados se enviaron aleatoriamente a las dos partes, Alice y Bob, utilizando un divisor de haz. Alice y Bob midieron los modos espaciales de los fotones, que es una propiedad que describe cómo se distribuyen los fotones en el espacio.

Para realizar las mediciones en los fotones entrelazados, Alice y Bob utilizaron medidas positivas de operador de valor trino de cubit o POVM, que son un conjunto de operadores de medición que representan mediciones no proyectivas.

Las medidas no proyectivas son mediciones cuánticas que van más allá de las mediciones proyectivas estándar, lo que permite una caracterización más completa de los sistemas cuánticos.

Next, the team recorded outputs every time there was a correlated outcome between Alice and Bob. They then performed calculations to determine joint probability distributions, which allowed them to assess the probability of obtaining specific measurement outcomes that were correlated between Alice and Bob.

For example, if they were playing a game with the entangled photons and measuring whether they both got head (H) or tails (T), a joint probability distribution would tell them the likelihood of both getting H, both getting T, or one getting H and the other getting T.

The setup is semi-device independent because the only known variables were the input (entangled photons) and output (measurements).

In the realm of quantum systems, the notion of a quantum advantage challenges classical notions of randomness. In this experiment, it means demonstrating shared randomness.

Classical systems, like coin tossing, assign predetermined probabilities to each possible outcome. For example, a fair coin has an equal 50% chance of landing on either H or T in each toss. However, in a quantum system, we see correlated outcomes that appear entirely random but are fundamentally entangled.

Imagine a scenario where Alice and Bob independently toss their respective coins. Remarkably, the outcomes of their coin tosses are mysteriously intertwined. When Alice gets a H, Bob simultaneously gets a H, and when Alice gets a T, Bob also gets a T.

This shared randomness is established through quantum entanglement, where particles become interconnected, and their properties remain correlated regardless of physical separation.

The team demonstrated quantum advantage through their experiment by showing that the correlated coin obtained from the entangled photons cannot be replicated using two two-level classical correlated coins.

Dr. Romero explained its implications for quantum information processing, 'Shared (or correlated) randomness is a useful resource for many tasks.'

'Quantum communication protocols, such as certain secret-sharing schemes or quantum computations involving a randomness distribution component (which has been shown to enhance security), stand to benefit from our results.'

For future studies, she hopes to explore the possibility of making quantum advantage device-independent and demonstrating it experimentally.

Journal information: Physical Review Letters

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