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

In het domein van de kwantuminformatie proberen wetenschappers voortdurend te verifiëren dat hun machines precies doen wat ze beweren te doen. Stel je een zwarte doos voor die belooft een complexe taak uit te voeren, maar je kunt de doos niet openen om de raderen binnenin te zien. Je kunt alleen kijken wat erin gaat en wat eruit komt. Decennialang was de gouden standaard voor het controleren van deze dozen een methode genaamd device-independent certificering. Deze aanpak vertrouwt op de vreemde, niet-lokale verbindingen van de kwantummechanica om te bewijzen dat een systeem zich kwantummechanisch gedraagt, zonder dat je iets hoeft te weten over de interne structuur of zelfs de grootte van het apparaat. Echter, deze methode is extreem moeilijk uit te voeren in een echt laboratorium omdat het perfecte omstandigheden vereist die lastig te handhaven zijn. Om vooruitgang te boeken, hebben onderzoekers een middenweg ontwikkeld die bekend staat als semi-device-independent certificering. Deze aanpak versoepelt de strikte eisen door een paar redelijke aannames te doen, zoals het kennen van de grootte van het informatie-dragende systeem, terwijl het nog steeds vermijdt dat men de beschrijving van de fabrikant van het apparaat hoeft te vertrouwen. Deze balans stelt wetenschappers in staat om kwantumbronnen met veel grotere praktische bruikbaarheid te verifiëren.

Een specifiek type kwantumoperatie, bekend als een entangled basis measurement (een meting in een verstrengelde basis), vormt de kern van vele krachtige protocollen zoals kwantumteleportatie en dense coding. Deze metingen zijn speciaal omdat ze relaties detecteren tussen deeltjes die op een manier aan elkaar gekoppeld zijn die de klassieke logica tart. Het verifiëren dat een apparaat daadwerkelijk deze specifieke meting uitvoert, in plaats van slechts een standaardmeting, is een cruciale stap naar het bouwen van betrouwbare kwantumnetwerken. Tot nu toe was het bewijzen dat een meting werkelijk een entangled basis measurement is, zonder het apparaat te vertrouwen, een aanzienlijke uitdaging, wat vaak vooraf gedeelde verstrengeling tussen de partijen of aannames over het onderliggende kwantumsysteem vereiste die moeilijk te rechtvaardigen zijn.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers een protocol ontwikkeld om deze complexe metingen te certificeren met behulp van een opstelling die twee zenders en één ontvanger omvat. In dit scenario bereiden twee onafhankelijke partijen, optredend als zenders, kwantumtoestanden voor op basis van specifieke inputs die zij ontvangen en sturen deze naar een derde partij, de ontvanger. De ontvanger voert vervolgens een enkele, gezamenlijke meting uit op de gecombineerde toestanden die van beide zenders komen. De onderzoekers ontwierpen een test, of een "witness", die de resultaten van dit experiment vergelijkt met wat mogelijk is in een puur klassieke wereld. Ze modelleerden de klassieke wereld met een framework waarin de zenders en de ontvanger verbonden zijn door verborgen variabelen, vergelijkbaar met hoe een klassieke computer informatie verwerkt, maar dan zonder enige kwantummagie. Door het berekenen van de maximale score die een klassiek systeem in deze test zou kunnen behalen, stelden zij een strikte grens vast.

Het team paste deze test toe op kwantumsystemen en stelde vast dat de kwantumresultaten consistent de klassieke limieten overschreden. Deze schending bewijst dat de uitgevoerde meting niet kan worden verklaard door enig klassiek model, wat de niet-klassieke aard ervan bevestigt. Nog belangrijker is dat de onderzoekers lieten zien dat wanneer het kwantumsysteem de hoogst mogelijke score behaalt die door de wetten van de fysica is toegestaan, dit dwingt tot een specifieke conclusie: de meting moet een maximally entangled basis measurement zijn, en de toestanden die door de twee zenders worden verzonden, moeten specifieke zuivere kwantumtoestanden zijn. Dit is een vorm van self-testing, waarbij de prestaties van het systeem zelf de interne structuur onthullen. De studie behandelt diverse scenario's, waaronder metingen met vier, acht en zestien mogelijke uitkomsten, en biedt zelfs een algemene regel voor metingen met een aantal uitkomsten dat een macht van twee is.

De onderzoekers toonden aan dat voor het bereiken van deze optimale scores, de metingsprojectoren maximaal verstrengeld moeten zijn over elke mogelijke manier om het systeem in twee delen te splitsen. Bijvoorbeeld, in een meting met zestien uitkomsten betrokken vier qubits, bewijst het resultaat dat de meting verstrengeld is, ongeacht hoe je de vier deeltjes verdeelt in een groep van één en een groep van drie. Dit niveau van certificering wordt bereikt zonder de exacte details van de gebruikte apparaten te hoeven kennen, mits de aanname over de dimensie van het systeem standhoudt. Het werk biedt een robuust instrument voor toekomstige kwantumtechnologieën, waardoor ingenieurs kunnen verifiëren dat hun entangled basis measurements correct functioneren en werkelijk gebruikmaken van de volledige kracht van kwantumverstrengeling, allemaal via een protocol dat praktisch uitvoerbaar is in een laboratoriumsetting.