Gli scienziati hanno sviluppato un test parzialmente indipendente dai dispositivi, privo di casualità, per la correlazione quantistica.

6 ottobre 2023 feature

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di Tejasri Gururaj, Phys.org

In un nuovo studio di Physical Review Letters, gli scienziati hanno presentato con successo una prova di concetto per dimostrare un test privo di casualità per correlazioni quantistiche e misurazioni non proiettive, offrendo un’alternativa innovativa ai tradizionali test quantistici che si basano su input casuali.

La "correlazione quantistica" è un fenomeno fondamentale nella meccanica quantistica e centrale per le applicazioni quantistiche come la comunicazione, la crittografia, l'informatica e l'elaborazione delle informazioni.

La disuguaglianza di Bell, o teoria di Bell, dal nome del fisico John Stewart Bell, è il test standard utilizzato per determinare la natura della correlazione. Tuttavia, una delle sfide legate all'utilizzo del teorema di Bell è il requisito della casualità del seme per la selezione delle impostazioni di misurazione.

In altre parole, gli input per l’esperimento devono essere veramente casuali, e questa è la sfida. Inoltre, la casualità dei semi può essere costosa e vulnerabile alle scappatoie.

Il nuovo studio, condotto dalla dott.ssa Jacquiline Romero dell’Università del Queensland e dal Centro di eccellenza per i sistemi quantistici ingegnerizzati del Consiglio di ricerca australiano, elimina la necessità di questa casualità iniziale proponendo un test alternativo.

Il dottor Romero lo ha spiegato a Phys.org, dicendo: "Il nostro lavoro elimina questo rigoroso requisito di casualità". Dimostriamo che la casualità condivisa (o correlata) acquisita dalle monete impigliate non può essere replicata utilizzando due monete classicamente correlate a due livelli. Questa scoperta ci consente di stabilire un vantaggio quantistico nel gioco descritto nel nostro articolo."

Ha anche espresso il suo entusiasmo per questa ricerca, dicendo: "Sono sempre alla ricerca di esperimenti che riescano a evidenziare la differenza tra l'informazione classica e quella quantistica perché questi esperimenti suscitano curiosità".

L’implementazione nella vita reale di sistemi e protocolli quantistici è impegnativa per molte ragioni. Una delle sfide principali è la necessità di una modellazione idealizzata e di una comprensione dettagliata di tutte le sue parti. Senza tale conoscenza, questi protocolli diventano vulnerabili a varie minacce.

Tuttavia, in realtà, non disponiamo di tutte le informazioni sul sistema quantistico. Coautore dello studio, il dottor Manik Banik del S.N. Il Bose National Center for Basic Sciences in India, ha spiegato: "In pratica, la disuguaglianza di Bell funge da strumento cruciale per certificare la non-classicità in modo 'indipendente dal dispositivo", consentendo protocolli completamente indipendenti dal dispositivo senza una conoscenza dettagliata delle operazioni dei dispositivi quantistici. '

"Tuttavia, gli scenari pratici spesso implicano una conoscenza parziale delle caratteristiche del dispositivo, portando alla semi-indipendenza del dispositivo."

In queste situazioni possediamo alcune informazioni sul sistema quantistico, come le dimensioni dei sottosistemi coinvolti, ma non una comprensione completa del suo funzionamento interno. Questo è esattamente ciò che ha fatto la squadra.

"Proponiamo una soluzione a questo compito di certificazione della non-classicità basandosi solo sulle statistiche di output, ma sono necessarie informazioni aggiuntive sul funzionamento interno del dispositivo, vale a dire la dimensione operativa. Questa conoscenza aggiuntiva, anche se minima, del dispositivo considera la tecnica uno status semi-indipendente,' ha spiegato un altro coautore, Some Sankar Bhattacharya, dell'Università di Danzica, in Polonia.

L'impostazione sperimentale del team si basava sulla produzione di fotoni entangled utilizzando un cristallo non lineare attraverso un processo noto come conversione parametrica spontanea (SPDC).

In sostanza, il processo SPDC in un cristallo non lineare prende i fotoni della pompa ad alta energia, li assorbe e genera spontaneamente coppie di fotoni entangled a bassa energia.

I fotoni entangled sono stati poi inviati in modo casuale alle due parti, Alice e Bob, utilizzando un divisore di fascio. Alice e Bob hanno misurato le modalità spaziali dei fotoni, che è una proprietà che descrive come i fotoni sono distribuiti nello spazio.

Per effettuare le misurazioni sui fotoni entangled, Alice e Bob hanno utilizzato misure con valori di operatore positivo del trigono di qubit o POVM, che sono un insieme di operatori di misurazione che rappresentano misurazioni non proiettive.

Le misurazioni non proiettive sono misurazioni quantistiche che vanno oltre le misurazioni proiettive standard, consentendo una caratterizzazione più completa dei sistemi quantistici.

Successivamente, il team ha registrato i risultati ogni volta che si verificava un risultato correlato tra Alice e Bob. Hanno quindi eseguito calcoli per determinare distribuzioni di probabilità congiunte, che hanno permesso loro di valutare la probabilità di ottenere risultati di misurazione specifici correlati tra Alice e Bob.

Ad esempio, se stessero giocando con i fotoni entangled e misurando se entrambi ottenessero testa (H) o croce (T), una distribuzione di probabilità congiunta direbbe loro la probabilità che entrambi ottengano H, entrambi T o uno solo. H e l'altro che prende T.

La configurazione è semi-indipendente dal dispositivo perché le uniche variabili conosciute erano l'input (fotoni entangled) e l'output (misurazioni).

Nel regno dei sistemi quantistici, la nozione di vantaggio quantistico sfida le nozioni classiche di casualità. In questo esperimento, significa dimostrare la casualità condivisa.

I sistemi classici, come il lancio della moneta, assegnano probabilità predeterminate a ciascun possibile risultato. Ad esempio, una moneta equilibrata ha una probabilità pari al 50% di fermarsi su H o T in ogni lancio. Tuttavia, in un sistema quantistico, vediamo risultati correlati che appaiono del tutto casuali ma sono fondamentalmente intrecciati.

Immagina uno scenario in cui Alice e Bob lanciano indipendentemente le rispettive monete. Sorprendentemente, i risultati dei loro lanci di monete sono misteriosamente intrecciati. Quando Alice prende una H, Bob contemporaneamente prende una H, e quando Alice prende una T, anche Bob prende una T.

Questa casualità condivisa è stabilita attraverso l’entanglement quantistico, dove le particelle diventano interconnesse e le loro proprietà rimangono correlate indipendentemente dalla separazione fisica.

Il team ha dimostrato il vantaggio quantistico attraverso il proprio esperimento, dimostrando che la moneta correlata ottenuta dai fotoni entangled non può essere replicata utilizzando due monete correlate classiche a due livelli.

Il dott. Romero ne ha spiegato le implicazioni per l'elaborazione delle informazioni quantistiche: "La casualità condivisa (o correlata) è una risorsa utile per molti compiti".

"I protocolli di comunicazione quantistica, come alcuni schemi di condivisione di segreti o calcoli quantistici che coinvolgono una componente di distribuzione casuale (che ha dimostrato di migliorare la sicurezza), trarranno vantaggio dai nostri risultati."

Per gli studi futuri, spera di esplorare la possibilità di rendere il vantaggio quantistico indipendente dai dispositivi e di dimostrarlo sperimentalmente.

Informazioni sul diario: Physical Review Letters

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