Semi-Device-Independent Certification of multi-qubit Entangled Basis Measurement

Im Bereich der Quanteninformation versuchen Wissenschaftler ständig zu verifizieren, dass ihre Maschinen genau das tun, was sie zu tun vorgeben. Stellen Sie sich eine Black Box vor, die verspricht, eine komplexe Aufgabe auszuführen, aber man kann sie nicht öffnen, um die Zahnräder im Inneren zu sehen. Man kann nur beobachten, was hineingeht und was herauskommt. Jahrzehntelang war die Goldstandard-Methode zur Überprüfung dieser Boxen ein Verfahren namens geräteunabhängige Zertifizierung (device-independent certification). Dieser Ansatz stützt sich auf die seltsamen, nicht-lokalen Verbindungen der Quantenmechanik, um zu beweisen, dass ein System quantenhaft agiert, ohne etwas über die interne Struktur oder gar die Größe des Geräts wissen zu müssen. Dies ist jedoch in einem echten Labor unglaublich schwierig durchzuführen, da es perfekte Bedingungen erfordert, die schwer aufrechtzuerhalten sind. Um Fortschritte zu machen, haben Forscher einen Mittelweg entwickelt, der als semi-geräteunabhängige Zertifizierung bekannt ist. Dieser Ansatz lockert die strengen Anforderungen, indem er einige vernünftige Annahmen trifft, wie etwa die Kenntnis der Größe des informationstragenden Systems, vermeidet aber dennoch die Notwendigkeit, der Beschreibung des Herstellers über das Gerät vertrauen zu müssen. Dieses Gleichgewicht ermöglicht es Wissenschaftlern, Quantenressourcen mit wesentlich größerer Praktikabilität zu verifizieren.

Eine spezifische Art der Quantenoperation, bekannt als eine verschränkte Basismessung (entangled basis measurement), steht im Zentrum vieler leistungsstarker Protokolle wie der Quantenteleportation und des Dense Coding. Diese Messungen sind besonders, weil sie Beziehungen zwischen Teilchen erkennen, die auf eine Weise miteinander verknüpft sind, die klassischer Logik trotzt. Die Verifizierung, dass ein Gerät tatsächlich diese spezifische Art der Messung durchführt und nicht nur eine Standardmessung, ist ein entscheidender Schritt zum Aufbau zuverlässiger Quantennetzwerke. Bis jetzt war der Beweis, dass eine Messung tatsächlich eine verschränkte Basismessung ist, ohne dem Gerät zu vertrauen, eine erhebliche Herausforderung, die oft eine vorab geteilte Verschränkung zwischen den Parteien oder Annahmen über das zugrunde liegende Quantensystem erforderte, die schwer zu rechtfertigen waren.

In einer neuen Studie haben Forscher ein Protokoll entwickelt, um diese komplexen Messungen mithdem Einsatz eines Setups zu zertifizieren, das zwei Sender und einen Empfänger umfasst. In diesem Szenario bereiten zwei unabhängige Parteien, die als Sender fungieren, Quantenzustände basierend auf spezifischen Eingaben vor, die sie erhalten, und senden diese an einen dritten Teil, den Empfänger. Der Empfänger führt dann eine einzige, gemeinsame Messung an den kombinierten Zuständen durch, die von beiden Sendern kommen. Die Forscher entwarfen einen Test, oder einen „Witness“, der die Ergebnisse dieses Experiments mit dem vergleicht, was in einer rein klassischen Welt möglich wäre. Sie modellierten die klassische Welt mit einem Framework, in dem die Sender und der Empfänger durch verborgene Variablen verbunden sind, ähnlich wie ein klassischer Computer Informationen verarbeiten könnte, aber ohne jegliche Quantenmagie. Durch die Berechnung der maximalen Punktzahl, die ein klassisches System in diesem Test erreichen könnte, etablierten sie eine strikte Grenze.

Das Team wandte diesen Test auf Quantensysteme an und stellte fest, dass die Quantenergebnisse die klassischen Grenzen konsistent überschritten. Dieser Verstoß beweist, dass die durchgeführte Messung durch kein klassisches Modell erklärt werden kann, was ihren nicht-klassischen Charakter bestätigt. Wichtiger noch: Die Forscher zeigten, dass wenn das Quantensystem die höchstmögliche durch die Gesetze der Physik erlaubte Punktzahl erreicht, dies zu einem spezifischen Schluss zwingt: Die Messung muss eine maximal verschränkte Basismessung sein, und die von den beiden Sendern gesendeten Zustände müssen spezifische reine Quantenzustände sein. Dies ist eine Form des Selbsttests (self-testing), bei dem die Leistung des Systems selbst dessen interne Struktur offenbart. Die Studie deckt verschiedene Szenarien ab, einschließlich Messungen mit vier, acht und sechzehn möglichen Ausgängen, und liefert sogar eine allgemeine Regel für Messungen mit einer beliebigen Anzahl von Ausgängen, die eine Zweierpotenz ist.

Die Forscher demonstrierten, dass für das Erreichen dieser optimalen Punktzahlen die Messprojektoren über jede mögliche Art der Aufteilung des Systems in zwei Teile hinweg maximal verschränkt sein müssen. Beispielsweise beweist das Ergebnis einer sechzehn Ausgänge umfassenden Messung an vier Qubits, dass die Messung verschränkt ist, egal wie man die vier Teilchen in eine Gruppe von eins und eine Gruppe von drei unterteilt. Diese Ebene der Zertifizierung wird erreicht, ohne dass die genauen Details der verwendeten Geräte bekannt sein müssen, vorausgesetzt, die Annahme über die Dimension des Systems hält stand. Die Arbeit bietet ein robustes Werkzeug für zukünftige Quantentechnologien, das es Ingenieuren ermöglicht, zu verifizieren, dass ihre verschränkten Basismessungen korrekt funktionieren und tatsächlich die volle Kraft der Quantenverschränkung nutzen – und zwar durch ein Protokoll, das im Labor praktikabel umsetzbar ist.