Multi-copy and Catalytic Superactivation of Genuine Multipartite Nonlocality

In de vreemde wereld van de kwantumfysica kunnen deeltjes verbonden raken op manieren die ons alledaagse begrip van hoe het universum werkt, tarten. Wanneer twee of meer deeltjes verstrengeld zijn, beïnvloedt een meting aan het een onmiddellijk de anderen, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen, bekend als nonlokaliteit, daagt het klassieke idee uit dat objecten alleen beïnvloed kunnen worden door hun directe omgeving. Hoewel wetenschappers al lang bestuderen hoe paren deeltjes deze spookachtige verbindingen kunnen delen, is het gedrag van drie of meer deeltjes samenend veel complexer. In deze grotere groepen zoeken onderzoekers naar een specifieke, krachtige vorm van verbinding genaamd echte multipartiete nonlokaliteit. Dit is de sterkste vorm van kwantumverbinding, waarbij de hele groep fungeert als een enkele, onscheidbare eenheid, in plaats van slechts een verzameling van kleinere paren die samenwerken. Het begrijpen van dit diepe niveau van verbinding is cruciaal voor toekomstige technologieën zoals ultra-veilige communicatie en geavanceerde computing, aangezien het een hulpbron vertegenwoordigt die niet kan worden afgebroken tot simpelere delen.

Jarenlang hebben wetenschappers vertrouwd op een specifieke definitie om te identificeren wanneer een groep deeltjes werkelijk deze echte verbinding deelt. Deze definitie dient als een test: als het gedrag van de groep verklaard kan worden door de leden te splitsen in twee kleinere teams die alleen binnen hun eigen teams communiceren, dan wordt de groep niet als echt verbonden beschouwd. Echter, een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Genève en Télécom Paris suggereert dat deze breed geaccepteerde test gebrekkig zou kunnen zijn. Ze ontdekten een verrassende lus waarbij een groep die schijnbaar slechts een verzameling van kleinere, zwakkere verbindingen is, onder de juiste omstandigheden kan transformeren in een groep met de sterkst mogelijke verbinding. Deze transformatie vindt niet plaats door nieuwe deeltjes toe te voegen of de natuurwetten te veranderen, maar simpelweg door meerdere kopieën van dezelfde zwakke groep te combineren en hun resultaten samen te verwerken met behulp van enkel lokale, klassieke stappen.

De onderzoekers demonstreerden dit effect eerst met een theoretisch model dat de grenzen van wat mogelijk is in de fysica oprekt, zelfs voorbij wat kwantummechanica toestaat. Ze stelden zich drie waarnemers voor, elk met een apparaat dat willekeurige outputs produceert op basis van inputs. Individueel waren deze apparaten zo ontworpen dat ze "biseparabel" waren, wat betekent dat hun gedrag verklaard kon worden door twee van de waarnemers die samenwerkten terwijl de derde afzonderlijk bleef. Het team nam twee kopieën van exact deze opstelling en liet elke waarnemer de resultaten van beide kopieën combineren met behulp van eenvoudige, lokale regels. Opmerkelijk genoeg kon de uiteindelijke gecombineerde output niet langer verklaard worden door enige splitsing tussen twee groepen. De handeling van het samenvoegen van de twee kopieën had een nieuwe, sterkere verbinding gecreëerd die niet aanwezig was in de oorspronkelijke stukken. Dit proces, dat de auteurs superactivatie noemen, toonde aan dat de standaarddefinitie van echte verbinding niet stabiel is; het kan worden doorbroken simpelweg door naar meerdere kopieën van hetzelfde te kijken tegelijkertijd.

Om er zeker van te zijn dat dit niet slechts een wiskundige truc was, ging het team verder en construeerde voorbeelden met echte kwantumsystemen. Ze creëerden een familie van kwantumtoestanden voor een willekeurig aantal deelnemers, van drie tot een zeer grote groep. In deze scenario's was de initiële toestand zorgvuldig ontworpen zodat het leek alsof de sterkste verbindingen alleen tussen paren mensen bestonden, terwijl de rest onafhankelijk bleef. Toch, toen de onderzoekers een specifieke lokale verwerkingsmethode toepasten op twee kopieën van deze toestand, resulteerde dit in een nieuwe toestand die echte multipartiete nonlokaliteit vertoonde. Dit bewees dat het fenomeen niet beperkt is tot theoretische modellen, maar een echt kenmerk is van de kwantummechanica. De sleutel was dat de waarnemers alleen lokale operaties gebruikten, wat betekende dat ze geen signalen naar elkaar hoefden te sturen of complexe gezamenlijke metingen hoefden te verrichten; ze verwerkten simpelweg hun eigen gegevens in een specifieke sequentie.

Misschien wel de meest opvallende bevinding was dat deze activatie zelfs kon optreden met een enkele kopie van de hulpbron, mits deze werd bijgestaan door een "katalysator". In de chemie is een katalysator een stof die een reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Hier lieten de onderzoekers zien dat een enkele kopie van een zwak verbonden groep getransformeerd kon worden in een sterk verbonden groep, mits zij ook toegang hadden tot een tweede, helpende distributie. Deze helper, die ook een zwak verbonden groep was, werd tijdens het proces gebruikt maar werd aan het einde in zijn oorspronkelijke staat teruggegeven, volledig onveranderd. De transformatie vond plaats omdat de lokale operaties een tijdelijke link creëerden tussen de doelgroep en de helper, waardoor de doelgroep haar volledige potentieel kon ontsluiten. Dit resultaat daagt het idee uit dat een hulpbron uitsluitend wordt gedefinieerd door haar initiële toestand, en suggereert dat de context en de middelen die beschikbaar zijn om het te verwerken, er net zozeer toe doen.

Deze bevindingen roepen ernstige vragen op over hoe we momenteel de krachtigste vormen van kwantumverbinding definiëren en meten. Als een definitie van echte nonlokaliteit kan worden omzeild door simpelweg kopieën te combineren of een helper te gebruiken, dan is die definitie wellicht geen betrouwbare maatstaf voor de werkelijke waarde van de hulpbron. De onderzoekers stellen dat voor een definitie om nuttig te zijn in de echte wereld, deze stabiel moet zijn; een hulpbron die als zwak wordt beschouwd, zou ook zwak moeten blijven wanneer men er vele kopieën van heeft. Het feit dat dit niet het geval is, suggereert dat de huidige standaard incompleet is. Het artikel wijst in de richting van een nieuwe manier van denken, geïnspireerd door netwerktheorie, waarbij verbindingen worden gedefinieerd door de specifieke structuur van hoe bronnen de deelnemers verbinden. Een dergelijke definitie zou van nature weerstand bieden aan dergelijke activatietrucs, en daarmee een robuustere fundering bieden voor toekomstige kwantumtechnologieën. Totdat een dergelijke nieuwe standaard wordt aangenomen, blijft de ware aard van deze diepe kwantumverbindingen iets mysterieuzer dan we dachten.