Entanglement inference from quantum erasure and path discrimination

In der seltsamen Welt der Quantenphysik können Teilchen in einem Zustand tiefer Verbindung existieren, der als Verschränkung bekannt ist, bei dem das Verhalten des einen das andere augenblicklich beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen ist der Motor hinter aufkommenden Technologien wie ultra-sicherer Kommunikation und leistungsstarken neuen Computern. Es ist jedoch schwierig zu beweisen, dass zwei Teilchen wirklich verschränkt sind. Wissenschaftler verlassen sich oft auf einen klassischen Test unter Verwendung eines Zwei-Pfad-Interferometers, einer Vorrichtung, die den Pfad eines Teilchens in zwei Möglichkeiten aufteilt. Wenn ein „Marker“ am Teilchen angebracht wird, um aufzuzeichnen, welchen Pfad es genommen hat, verschwindet das Interferenzmuster, das normalerweise erscheint. Aber wenn dieser Marker auf eine bestimmte Weise gemessen wird, die die Pfadinformation löscht, kann das Interferenzmuster wieder auftauchen. Diese Wiederherstellung des Musters wird als Quanten-Eraser bezeichnet. Jahrzehntelang wurde die Fähigkeit, diese Muster wiederherzustellen, als ein starkes Zeichen für Verschränkung behandelt. Doch eine bleibende Frage blieb: Garantiert die bloße Wiederherstellung dieser Muster, dass die Teilchen verschränkt sind, oder könnte ein einfacheres, nicht verschränktes Setup dieselben Ergebnisse imitieren?

Ein Forscher hat diese Frage nun mit einem strengen mathematischen Beweis beantwortet und gezeigt, dass die Wiederherstellung der Interferenzmuster allein nicht ausregt, um Verschränkung zu bestätigen. Er demonstrierte, dass es möglich ist, ein physikalisches System zu konstruieren, das überhaupt nicht verschränkt ist, aber dennoch exakt dieselben wiederhergestellten Muster und Pfad-Diskriminierungsdaten wie ein hochgradig verschränktes System erzeugt. In seiner Studie verglich er zwei verschiedene Präparationen von Drei-Qubit-Systemen. Eine Präparation verwendete einen Standardzustand tief verschränkter Zustände, bekannt als Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand (GHZ-Zustand), bei dem alle drei Teilchen miteinander verknüpft sind. Die andere Präparation verwendete einen „markierten“ Zustand, der nur aus verschränkten Paaren von Teilchen bestand und ansonsten vollständig separierbar war. Trotz dieser grundlegenden Unterschiede in ihren internen Verbindungen erzeugten beide Aufbauten identische Interferenzstreifen, wenn die Marker gemessen wurden, sowie identische Wahrscheinlichkeiten für das Erraten des Teilchenpfads. Dieser Befund beweist, dass die Messaufzeichnungen eines Quanten-Erasers, selbst wenn sie mit optimalen Pfad-Diskriminierungsdaten kombiniert werden, die Quelle der Verschränkung nicht eindeutig identifizieren.

Um diese Mehrdeutigkeit zu lösen, untersuchte der Forscher, welche zusätzlichen Informationen erforderlich sind, um zwischen einer wirklich verschränkten Quelle und einem täuschend ähnlichen, nicht verschränkten Nachahmer zu unterscheiden. Er fand heraus, dass das bloße Betrachten der wiederhergestellten Streifen oder der bestmöglichen Pfad-Rate-Wahrscheinlichkeiten die Tür für die falsche, separierbale Erklärung offen lässt. Das Bild ändert sich jedoch, wenn Wissenschaftler die vollständigen gemeinsamen Ergebnisse spezifischer Messungen aufzeichnen, insbesondere jene, die die Parität, also die Geradheit oder Ungerade der kombinierten Ergebnisse, betreffen. Als der Forscher diese Paritätskorrelationen in seine Daten einschloss, verengte sich die Menge der möglichen Erklärungen erheblich. Er entdeckte, dass die Daten für bestimmte Messrichtungen durch keinen separierbaren Zustand mehr erklärt werden konnten, was den Schluss erzwang, dass echte multipartite Verschränkung vorliegen muss.

Die Studie ging weiter und kartierte genau auf, welche Messrichtungen in der Lage zu dieser Zertifizierung sind. Für ein Drei-Qubit-System identifizierte sie eine geometrische Regel: Um genuine Verschränkung zu zertifizieren, muss der zusätzliche Marker in einer spezifischen Weise relativ zu den anderen geneigt sein. Wenn die Messachse in bestimmten verbotenen Ebenen liegt, kann ein separierbarer Nachahmer immer noch existieren. Aber wenn die Achse so geneigt ist, dass sie Komponenten sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung relativ zu den anderen Markern aufweist, versagt der Nachahmer, und die Anwesenheit echter Verschränkung ist mathematisch garantiert. Der Forscher berechnete auch den präzisen Anteil an Rauschen, oder weißem Rauschen, den ein System tolerieren kann, bevor diese Zertifizierung zusammenbricht. Für einen spezifischen Satz von Messwinkeln stellte er fest, dass das System als echt verschränkt zertifizierbar bleibt, solange der Rauschanteil unter etwa 0,149 liegt. Dies bedeutet, dass die Verschränkung selbst in einer verrauschten Umgebung bewiesen werden kann, wenn die richtigen Messungen durchgeführt werden.

Die Arbeit etabliert einen neuen Standard dafür, was basierend auf experimentellen Aufzeichnungen beansprucht werden kann. Sie zeigt, dass Wissenschaftler nicht einfach davon ausgehen können, dass eine Quelle verschränkt ist, nur weil sie wiederhergestellte Streifen sehen; sie müssen den vollständigen Satz an Korrelationen betrachten. Der Forscher lieferte eine konstruktive Methode, um einen „Witness“ (Zeugen) zu bauen, einen spezifischen mathematischen Test basierend auf den aufgezeichneten Daten, der Verschränkung zertifizieren kann, ohne die Details darüber wissen zu müssen, wie die Teilchen präpariert wurden. Dieser Ansatz ist robust gegenüber Rauschen und stützt sich nur auf die tatsächlich gesammelten Daten. Durch die Unterscheidung zwischen dem, was lediglich mit den Daten kompatibel ist und dem, was durch sie notwendigerweise erforderlich ist, klärt die Studie die Grenze zwischen klassischer Mimikry und quantenmechanischer Realität. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Quanten-Erasure zwar ein mächtiges Werkzeug ist, aber die zusätzlichen, sorgfältig gewählten Korrelationen letztlich die Wahrheit über die innerhalb des Systems verborgene Verschränkung entschlüsseln.