High-dimensional quantum process tomography with undetected photons
Dieses Paper schlägt eine interferometrische Methode für die hochdimensionale Quantenprozesstomographie vor, die beliebige Operationen auf Qudits vollständig rekonstruiert, ohne dass direkte Messungen an den transformierten Quantenzuständen erforderlich sind.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen herauszufinden, wie genau eine mysteriöse Maschine die Dinge verändert, die man in sie hineingibt. In der Welt der Quantenphysik wird diese Maschine als „Quantenprozess“ bezeichnet, und die Dinge, die sie verändert, sind winzige Lichtteilchen, sogenannte Photonen. Um zu verstehen, wie diese Maschinen funktionieren, müssen Wissenschaftler das Teilchen normalerweise abfangen, nachdem es die Maschine verlassen hat, und es messen. Aber der Haken ist: Manchmal verwandelt sich das Teilchen in eine Farbe oder eine Art von Licht, die unsere Augen und Kameras nicht sehen können, oder die Detektoren, die wir haben, sind einfach nicht gut genug, um es einzufangen. Es ist, als würde man versuchen, einen Zaubertrick zu verstehen, indem man nur auf die Hände des Magiers schaut, aber der eigentliche Trick findet in einem Raum statt, in den man nicht hineinschauen darf. Dies ist ein großes Problem, denn Wissenschaftler wollen superschnelle, supersichere Kommunikationsnetzwerke unter Verwendung dieser hochdimensionalen Quantenzustände aufbauen, aber sie können sie nicht richtig testen, wenn sie die Ergebnisse nicht sehen können.
Hier kommt eine neue Idee ins Spiel, die einen cleveren Trick namens „Pfadidentität“ nutzt. Denken Sie an eine Art „Stille Post“, die mit Licht gespielt wird. Anstatt das Teilchen zu betrachten, das durch die mysteriöse Maschine gegangen ist, erschaffen Wissenschaftler ein Zwillingspartikel, das die Maschine überhaupt nicht durchläuft. Indem sie die Pfade dieser Zwillinge so perfekt aufeinander abstimmen, dass man nicht mehr unterscheiden kann, welcher welcher ist, beginnt der „unberührte“ Zwilling, die geheimen Fingerabdrücke dessen zu tragen, was seinem Partner widerfahren ist. Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern, die gesamte Operation der Maschine zu rekonstruieren, indem sie nur den sicheren und unversehrten Zwilling betrachten, ohne jemals das Teilchen einfangen zu müssen, das den unbekannten Prozess durchlaufen hat.
Die Arbeit von Salini Rajeev und Mayukh Lahiri nimmt dieses Konzept und treibt es weiter voran als je zuvor. Während frühere Experimente diesen „Zwillingstrick“ nur für Maschinen verwendeten, die Dinge lediglich hin und her schieben, ohne Energie zu verlieren (sogenannte „unitäre“ Operationen), zeigen die Autoren, dass dies auch für unordentliche, reale Maschinen funktioniert. In der realen Welt verlieren Maschinen oft Energie oder verändern Dinge auf eine Weise, die nicht perfekt ist; dies werden als „nicht-unitäre“ Operationen bezeichnet. Die Gruppe beweist, dass man selbst dann, wenn die Maschine unperfekt ist und wie ein leckender Eimer statt wie ein perfektes Verschieben agiert, immer noch exakt kartieren kann, was sie tut. Sie demonstrieren dies mit einer speziellen Art von Licht, dem „Bahndrehimpuls“ (Orbital Angular Momentum – welches man sich als Licht vorstellen kann, das sich wie eine Korkenzieherbewegung dreht), und zeigen, dass sie durch die Messung nur der sicheren, unberührten Zwillingsphotonen die gesamte Blaupause der mysteriösen Maschine mathematisch rekonstruieren können.
Die Forscher haben nicht nur geraten, dass dies funktionieren würde; sie haben ein detailliertes mathematisches Modell unter Verwendung der Quantenfeldtheorie erstellt, um es zu beweisen. Sie zeigten, dass sie, indem sie eine bekannte, kontrollierte Drehung (eine „unitäre Transformation“) auf den sicheren Zwilling senden und dann beobachten, wie die beiden Lichtstrahlen miteinander interferieren, die exakten Einstellungen der unbekannten Maschine ablesen können. Sie testeten ihre Theorie mit einem spezifischen Beispiel einer nicht-unitären Maschine, in die Verluste eingebaut waren, und ihre Methode konnte erfolgreich alle verborgenen Zahlen zurückgewinnen, die beschreiben, wie diese Maschine funktionierte. Die Arbeit bestätigt, dass diese „undetektierter Photon“-Methode ein leistungsstarkes neues Werkzeug ist. Das bedeutet, dass Wissenschaftler in Zukunft komplexe Quantengeräte testen und verifizieren können, selbst wenn das Licht aus ihnen in einem Wellenlängenbereich austritt, für den es noch keine Detektoren gibt, was die Tür zur Erforschung neuer Teile des Lichtspektrums für die Quantentechnologie öffnet.
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