Entanglement inference from quantum erasure and path discrimination

Nel bizzarro mondo della fisica quantistica, le particelle possono esistere in uno stato di profonda connessione noto come entanglement, in cui il comportamento di una influenza istantaneamente l'altra, indipendentemente da quanto siano lontane. Questo fenomeno è il motore dietro tecnologie emergenti come la comunicazione ultra-sicura e i nuovi e potenti computer. Tuttavia, dimostrare che due particelle siano realmente entangled è difficile. Gli scienziati si affidano spesso a un test classico che coinvolge un interferometro a due percorsi, un dispositivo che divide il percorso di una particella in due possibilità. Se viene attaccato un "marker" alla particella per registrare quale percorso ha intrapreso, il pattern di interferenza che solitamente appare scompare. Ma se questo marker viene misurato in un modo specifico che cancella l'informazione sul percorso, il pattern di interferenza può riapparire. Questo recupero del pattern è chiamato cancellatore quantistico (quantum eraser). Per decenni, la capacità di recuperare questi pattern è stata trattata come un forte segno di entanglement. Eppure, una domanda persistente rimaneva: il mero recupero di questi pattern garantisce che le particelle siano entangled, o un setup più semplice e non entangled potrebbe simulare gli stessi risultati?

Un ricercatore ha ora risposto a questa domanda con una rigorosa prova matematica, dimostrando che il recupero dei pattern di interferenza non è sufficiente da solo per confermare l'entanglement. Ha dimostrato che è possibile costruire un sistema fisico che non sia affatto entangled, ma che produca esattamente gli stessi pattern recuperati e gli stessi dati di discriminazione del percorso di un sistema altamente entangled. Nel suo studio, ha confrontato due diverse preparazioni di sistemi a tre qubit. Una preparazione utilizzava uno stato standard, profondamente entangled, noto come stato di Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), in cui tutte e tre le particelle sono legate tra loro. L'altra preparazione utilizzava uno stato "flagged", che conteneva solo coppie di particelle entangled ed era altrimenti completamente separabile. Nonostante queste differenze fondamentali nelle loro connessioni interne, entrambi i setup generavano frange di interferenza identiche quando i marker venivano misurati e probabilità identiche per indovinare il percorso della particella. Questa scoperta prova che i record di misurazione di un cancellatore quantistico, anche quando combinati con dati ottimali di discriminazione del percorso, non identificano univocamente la sorgente dell'entanglement.

Per risolvere questa ambiguità, il ricercatore ha esplorato quali informazioni aggiuntive siano necessarie per distinguere tra una sorgente realmente entangled e un imitatore non entangled e ingannevole. Ha scoperto che guardare semplicemente le frange recuperate o le migliori probabilità di indovinare il percorso lascia aperta la porta alla spiegazione separabile e falsa. Tuttavia, il quadro cambia quando gli scienziati registrano i pieni esiti congiunti di misurazioni specifiche, in particolare quelle che coinvolgono la parità, ovvero la numerosità pari o dispari dei risultati combinati. Quando il ricercatore ha incluso queste correlazioni di parità nei suoi dati, l'insieme delle possibili spiegazioni si è ristretto significativamente. Ha scoperto che, per certe direzioni di misurazione, i dati non potevano più essere spiegati da alcuno stato separabile, forzando la conclusione che l'entanglement multipartito genuino deve essere presente.

Lo studio è andato oltre, mappando esattamente quali direzioni di misurazione siano capaci di questa certificazione. Per un sistema a tre qubit, ha identificato una regola geometrica: per certificare l'entanglement genuino, la misurazione aggiuntiva sul terzo marker deve essere inclinata in un modo specifico rispetto alle altre. Se l'asse di misurazione giace in certi piani proibiti, un imitatore separabile può ancora esistere. Ma se l'asse è inclinato in modo da avere componenti sia nella direzione orizzontale che in quella verticale rispetto agli altri marker, l'imitatore fallisce e la presenza di entanglement genuino è matematicamente garantita. Il ricercatore ha anche calcolato l'esatta quantità di rumore, o rumore bianco, che un sistema può tollerare prima che questa certificazione si interrompa. Per un set specifico di angoli di misurazione, ha determinato che il sistema rimane certificabilmente entangled finché la frazione di rumore rimane al di sotto di circa 0,149. Ciò significa che, anche in un ambiente rumoroso, l'entanglement può essere dimostrato se vengono effettuate le misurazioni corrette.

Il lavoro stabilisce un nuovo standard per ciò che può essere rivendicato sulla base dei record sperimentali. Mostra che gli scienziati non possono assumere che una sorgente sia entangled solo perché vedono frange recuperate; devono guardare l'insieme completo delle correlazioni. Il ricercatore ha fornito un metodo costruttivo per costruire un "witness" (testimone), un test matematico specifico basato sui dati registrati, che può certificare l'entanglement senza dover conoscere i dettagli di come le particelle siano state preparate. Questo approccio è robusto contro il rumore e si basa solo sui dati effettivamente raccolti. Distinguendo tra ciò che è semplicemente compatibile con i dati e ciò che è necessariamente richiesto da essi, lo studio chiarisce il confine tra mimetismo classico e realtà quantistica. I risultati confermano che, sebbene la cancellazione quantistica sia uno strumento potente, sono le correlazioni aggiuntive, accuratamente scelte, che alla fine sbloccano la verità sull'entanglement nascosto all'interno del sistema.