Les scientifiques ont développé un test semi-dispositif indépendant, sans aléatoire, pour la corrélation quantique.

6 octobre 2023 fonctionnalité

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par Tejasri Gururaj, Phys.org

Dans une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters, des scientifiques ont présenté avec succès une preuve de concept pour démontrer un test sans aléatoire pour les corrélations quantiques et les mesures non-projectives, offrant une alternative révolutionnaire aux tests quantiques traditionnels qui reposent sur des entrées aléatoires. 

La "corrélation quantique" est un phénomène fondamental en mécanique quantique et qui est central aux applications quantiques telles que la communication, la cryptographie, l'informatique et le traitement de l'information.

L'inégalité de Bell, ou la théorie de Bell, du nom du physicien John Stewart Bell, est le test standard utilisé pour déterminer la nature de la corrélation. Cependant, l'un des défis de l'utilisation du théorème de Bell est l'exigence d'un aléatoire de départ pour la sélection des paramètres de mesure.

En d'autres termes, les entrées pour l'expérience doivent être vraiment aléatoires, ce qui est le défi. De plus, l'aléatoire de départ peut être coûteux et vulnérable aux échappatoires.

La nouvelle étude, dirigée par le Dr Jacquiline Romero de l'Université du Queensland et du Centre d'excellence australien pour les systèmes quantiques conçus, élimine le besoin de cet aléatoire de départ en proposant un test alternatif.

Le Dr Romero a expliqué cela à Phys.org, en déclarant : "Notre travail se passe de cette exigence rigoureuse de l'aléatoire. Nous démontrons que l'aléatoire partagé (ou corrélé) acquis à partir de pièces entrelacées ne peut pas être reproduit en utilisant deux pièces classiquement corrélées à deux niveaux. Cette découverte nous permet de créer un avantage quantique dans le jeu jouet décrit dans notre article."

Elle a également exprimé son enthousiasme pour cette recherche, en déclarant : "Je suis toujours à la recherche d'expériences qui mettent en évidence la différence entre les informations classiques et quantiques, car ces expériences suscitent la curiosité."

L'implémentation en conditions réelles de systèmes et protocoles quantiques est difficile pour de nombreuses raisons. L'un des principaux défis est le besoin d'une modélisation idéalisée et d'une compréhension détaillée de toutes ses parties. Sans cette connaissance, ces protocoles deviennent vulnérables à diverses menaces.

Cependant, dans la réalité, nous n'avons pas toutes les informations sur le système quantique. Le co-auteur de l'étude, le Dr Manik Banik du Centre national indien des sciences fondamentales S.N. Bose, a expliqué : "En pratique, l'inégalité de Bell sert d'outil crucial pour certifier le non-classicisme de manière 'indépendante des dispositifs', permettant des protocoles entièrement indépendants des dispositifs sans une connaissance détaillée des opérations des dispositifs quantiques."

"Cependant, les scénarios pratiques impliquent souvent une connaissance partielle des caractéristiques du dispositif, ce qui conduit à une semi-indépendance des dispositifs."

Dans ces situations, nous possédons certaines informations sur le système quantique, telles que les dimensions des sous-systèmes impliqués, mais pas une compréhension complète de son fonctionnement interne. C'est précisément ce que l'équipe a fait.

"Nous proposons une solution à cette tâche de certification de non-classicisme uniquement à partir des statistiques de sortie, mais des informations supplémentaires sur le fonctionnement interne du dispositif sont nécessaires, notamment la dimension opérationnelle. Cette connaissance supplémentaire, bien que minimale, du dispositif confère à la technique un statut semi-indépendant des dispositifs", a expliqué un autre co-auteur, Some Sankar Bhattacharya, de l'Université de Gdansk, en Pologne.

La configuration expérimentale de l'équipe reposait sur la production de photons entrelacés à l'aide d'un cristal non linéaire grâce à un processus appelé down-conversion paramétrique spontanée (SPDC).

En substance, le processus SPDC dans un cristal non linéaire prend les photons de pompe à haute énergie, les absorbe et génère spontanément des paires de photons entrelacés de plus faible énergie.

Les photons entrelacés étaient ensuite envoyés au hasard aux deux parties, Alice et Bob, à l'aide d'un séparateur de faisceau. Alice et Bob mesuraient les modes spatiaux des photons, qui sont une propriété décrivant comment les photons sont répartis dans l'espace.

Pour effectuer les mesures sur les photons entrelacés, Alice et Bob utilisaient des mesures opérateurs valuées positivement du qubit trinaire ou POVMs, qui sont un ensemble d'opérateurs de mesure représentant des mesures non-projectives.

Les mesures non-projectives sont des mesures quantiques qui vont au-delà des mesures projectives standard, permettant une caractérisation plus complète des systèmes quantiques.

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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