Self-guided certification of nonlocality in quantum networks

In de vreemde wereld van de kwantumfysica kunnen deeltjes op een manier verbonden raken die ons alledaagse begrip van oorzaak en gevolg tart. Wanneer twee deeltjes "verstrengeld" zijn, beïnvloedt een verandering aan de een onmiddellijk de ander, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen, dat Albert Einstein ooit sceptisch omschreef als "spookachtige actie op afstand", werd bewezen als echt door een beroemde test bekend als de stelling van Bell. Die oorspronkelijke test toonde aan dat het universum niet kan worden verklaard door eenvoudige, lokale regels waarbij objecten alleen hun directe buren beïnvloeden. Echter, naarmate wetenschappers zijn overgestapt van het testen van paren deeltjes naar het bouwen van complexe webben van kwantumverbindingen, zijn de regels nog ingewikkelder geworden. In deze kwantumnetwerken distribueren meerdere onafhankelijke bronnen deeltjes naar verschillende mensen, waardoor een web van correlaties ontstaat dat standaardtests niet gemakkelijk kunnen detecteren. De uitdaging voor onderzoekers is om een manier te vinden om te bewijzen dat deze complexe netwerken werkelijk op een kwantummanier functioneren, in plaats van simpelweg kwantumgedrag na te bootsen met slimme klassieke trucjes, vooral wanneer de apparatuur die gebruikt wordt om ze te meten imperfect of ruisgevoelig is.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen, een techniek die zij een "zelfsturend" protocol noemen. Stel je voor dat je probeert de hoogste piek in een uitgestrekt, mistig berglandschap te vinden zonder kaart, waarbij de mist zo dik is dat je slechts enkele voet vooruit kunt kijken. Traditionele methoden zouden een volledige, perfecte kaart van het hele landschap vereisen voordat je kunt beginnen met klimmen, wat voor complexe kwantumsystemen vaak onmogelijk is om te maken. In plaats daarvan staat deze nieuwe aanpak de ontdekkingsreizigers toe om een stap te zetten, de hoogte van de grond te controleren op de plek waar ze zich bevinden, en vervolgens te beslissen welke richting ze als volgende gaan op basis van die onmiddellijke feedback. De onderzoekers pasten dit idee toe op een specifiek kwantumnetwerk in de vorm van een driehoek, waarbij drie onafhankelijke bronnen deeltjes naar drie verschillende waarnemers sturen. Hun doel was om de instellingen van de meetapparaten van de waarnemers aan te passen om het bewijs van kwantumvreemdheid, bekend als een schending van een netwerkongelijkheid, te maximaliseren.

Het proces werkt in twee duidelijke stadia. Eerst gebruiken de onderzoekers een computersimulatie om de zoektocht naar de beste meetinstellingen te begeleiden. Ze hoeven de exacte staat van de deeltjes niet vooraf te kennen; ze draaien simpelweg een wiskundig algoritme dat de meethoeken lichtjes aanpast, het resultaat controleert, en dit proces duizenden keren herhaalt. Om dit efficiënt te maken, gebruiken ze een techniek genaamd "klassieke schaduwen" (classical shadows), wat een manier is om net genoeg informatie over de kwantumtoestand te verzamelen uit een klein aantal metingen om de uitkomst van de test te schatten. Dit stelt het algoritme in staat om snel door het complexe landschap van mogelijkheden te navigeren, zelfs wanneer de data enigszins ruis bevat. Omdat deze initiële zoektocht echter steunt op statistische schattingen, kan het soms worden misleid door willekeurige fluctuaties, waardoor het algoritme denkt dat het een kwantumpiek heeft gevonden terwijl het slechts een statistische fata morgana heeft gevonden.

Om te garanderen dat het resultaat echt is, bevat het protocol een cruciale tweede fase: een directe verificatie. Zodra het algoritme een specifieke set meetinstellingen heeft bepaald, stoppen de onderzoekers met het gebruik van de statistische schattingen. In plaats daarvan implementeren ze die exacte instellingen fysiek op het kwantumsysteem en tellen ze de werkelijke uitkomsten van de metingen. Deze laatste stap fungeert als een strikte controle op de werkelijkheid. Als de resultaten van deze directe meting nog steeds een sterke schending van de klassieke limieten laten zien, dan is het netwerk werkelijk niet-lokaal. De onderzoekers testten deze methode op een driehoeknetwerk met diverse kwantumtoestanden, inclus