Entanglement inference from quantum erasure and path discrimination

In de vreemde wereld van de kwantumfysica kunnen deeltjes bestaan in een staat van diepe verbondenheid, bekend als verstrengeling, waarbij het gedrag van het een het ander onmiddellijk beïnvloedt, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen is de motor achter opkomende technologieën zoals ultra-beveiligde communicatie en krachtige nieuwe computers. Het is echter moeilijk om te bewijzen dat twee deeltjes werkelijk verstrengeld zijn. Wetenschappers vertrouwen vaak op een klassieke test met behulp van een tweepad-interferometer, een apparaat dat het pad van een deeltje splitst in twee mogelijkheden. Als er een "marker" aan het deeltje wordt bevestigd om vast te leggen welk pad het heeft genomen, verdwijnt het interferentiepatroon dat normaal gesproken verschijnt. Maar als deze marker op een specifieke manier wordt gemeten waardoor de padinformatie wordt gewist, kan het interferentiepatroon weer verschijnen. Het herstel van dit patroon wordt een kwantumeraser genoemd. Decennialang werd het vermogen om deze patronen te herstellen beschouwd als een sterk teken van verstrengeling. Toch bleef er een hardnekkige vraag bestaan: garandeert het loutere herstel van deze patronen dat de deeltjes verstrengeld zijn, of zou een eenvoudiger, niet-verstrengeld systeem dezelfde resultaten kunnen nabootsen?

Een onderzoeker heeft deze vraag nu beantwoord met een rigoureus wiskundig bewijs, waarbij is aangetoond dat het herstellen van de interferentiepatronen op zichzelf niet voldoende is om verstrengeling te bevestigen. De onderzoeker toonde aan dat het mogelijk is om een fysiek systeem te construeren dat helemaal niet verstrengeld is, maar toch exact dezelfde herstelde patronen en pad-discriminatiegegevens produceert als een hoogverstrengeld systeem. In hun studie vergeleken zij twee verschillende voorbereidingen van drie-qubit systemen. Eén voorbereiding gebruikte een standaard, diep verstrengelde toestand bekend als een Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) toestand, waarbij alle drie de deeltjes aan elkaar verbonden zijn. De andere voorbereiding gebruikte een "geflagde" toestand, die alleen uit paren van verstrengelde deeltjes bestond en verder volledig scheidbaar was. Ondanks deze fundamentele verschillen in hun interne verbindingen, genereerden beide opstellingen identieke interferentieresten wanneer de markers werden gemeten en identieke waarschijnlijkheden voor het raden van het deeltjespad. Deze bevinding bewijst dat de meetgegevens van een kwantumeraser, zelfs wanneer deze worden gecombineerd met optimale pad-discriminatiegegevens, de bron van de verstrengeling niet uniek identificeren.

Om deze ambiguïteit op te lossen, onderzocht de onderzoeker welke aanvullende informatie vereist is om onderscheid te maken tussen een werkelijk verstrengelde bron en een misleidende, niet-verstrengelde nabootser. Zij ontdekten dat het simpelweg bekijken van de herstelde interferentieresten of de best mogelijke pad-raad-waarschijnlijkheden de deur open laat staan voor de valse, scheidbare verklaring. Het beeld verandert echter wanneer wetenschappers de volledige gezamenlijke uitkomsten van specifieke metingen registreren, in het bijzonder die met betrekking tot de pariteit, oftewel de evenheid of onevenheid van de gecombineerde resultaten. Wanneer de onderzoeker deze pariteitscorrelaties in hun gegevens opnam, kromp de set mogelijke verklaringen aanzienlijk. Zij ontdekten dat voor bepaalde meetrichtingen de gegevens niet langer door een enkele scheidbare toestand verklaard konden worden, wat de conclusie forceert dat er sprake moet zijn van genuanteerde multipartiete verstrengeling.

De studie ging verder door in kaart te brengen welke meetrichtingen in staat zijn tot deze certificering. Voor een drie-qubit systeem identificeerden zij een geometrische regel: om genuante verstrengeling te certificeren, moet de aanvullende meting op de derde marker op een specifieke manier gekanteld zijn ten opzichte van de anderen. Als de meetas in bepaalde verboden vlakken ligt, kan een scheidbare nabootsing nog steeds bestaan. Maar als de as gekanteld is zodat deze componenten heeft in zowel de horizontale als de verticale richting ten opzichte van de andere markers, faalt de nabootsing en is de aanwezigheid van genuante verstrengeling wiskundig gegarandeerd. De onderzoeker berekende ook de exacte hoeveelheid ruis, of witte ruis, die een systeem kan tolereren voordat deze certificering wegvalt. Voor een specifieke set meethoeken bepaalden zij dat het systeem verifieerbaar verstrengeld blijft zolang het ruisfractie onder ongeveer 0,149 blijft. Dit betekent dat zelfs in een lawaaierige omgeving de verstrengeling bewezen kan worden als de juiste metingen worden verricht.

Het werk stelt een nieuwe standaard vast voor wat er op basis van experimentele gegevens kan worden geclaimd. Het toont aan dat wetenschappers er niet vanuit kunnen gaan dat een bron verstrengeld is enkel omdat ze herstelde interferentieresten zien; ze moeten naar de volledige set correlaties kijken. De onderzoeker bood een constructieve methode om een "getuige" (witness) te bouwen, een specifieke wiskundige test gebaseerd op de verzamelde gegevens, die verstrengeling kan certificeren zonder de details te hoeven kennen van hoe de deeltjes zijn voorbereid. Deze aanpak is robuust tegen ruis en rust uitsluitend op de daadwerkelijk verzamelde gegevens. Door onderscheid te maken tussen wat louter compatibel is met de gegevens en wat noodzakelijkerwijs door de gegevens wordt vereist, verheldert de studie de grens tussen klassieke nabootsing en kwantumrealiteit. De resultaten bevestigen dat hoewel kwantumerasure een krachtig instrument is, het de aanvullende, zorgvuldig gekozen correlaties zijn die uiteindelijk de waarheid ontsluiten over de verstrengeling die zich binnen het systeem verbergt.