もつれた量子状態の数式を紙の上に走り書きするのと比較すると、実際のもつれを生成するのは難しい作業です。 実験室では、物理学者は、量子状態がもつれ検証テストに合格した後にのみ、準備された量子状態がもつれていると主張できます。また、従来のすべてのテスト戦略には大きな欠点があります。それは、量子状態を証明する過程でもつれを破壊してしまうということです。 これは、認証後、実験者がシステムを使用したい場合は、そのシステムを再度同じ状態に準備する必要があることを意味します。ただし、これは、ソースが毎回同じ状態を確実に生成すると信頼していることが前提となります。
新しい研究では、 キム・ヒョンジン率いる物理学者 韓国科学技術研究院 (KAIST) の研究チームは、この信頼の前提を回避する方法を発見しました。 彼らは、初期のエンタングルメントの完全な破壊を防ぐ方法で従来のエンタングルメント認証 (EC) 戦略を改良することでこれを実現し、認証とともにそれを (確率 < 1 ではあるが) 回復できるようにしました。
正確な定義を持つ神秘的な状態
もつれは、神秘的に聞こえますが、量子力学の中で非常に正確な定義があります。 量子理論によれば、複合システム (つまり、結合単位とみなされる XNUMX つ以上のシステム) は分離可能であるか、もつれています。 分離可能なシステムでは、その名前が示すように、各サブシステムに独立した状態を割り当てることができます。 しかし、絡み合ったシステムでは、サブシステムが独立しているとはみなされないため、これは不可能です。 格言にあるように、「全体は部分よりも優れている」のです。 もつれは、量子通信、量子計算、量子理論が古典理論とどのように異なるかの実証など、多くの分野で重要な役割を果たしています。 したがって、それを検証できることが不可欠です。
彼らが次のように説明している最新の研究では、 科学の進歩, Kim 氏らは、可能な限り単純な量子システムである複数の量子ビットを含む EC テストを研究しました。 従来のEC戦略にはXNUMXつあります。 XNUMX つ目は監視と呼ばれ、各サブシステムで測定を行う XNUMX つ (またはそれ以上) のデバイスが完全に信頼される実験状況に適用されます。 XNUMX 番目のステアリングでは、デバイスの XNUMX つは完全に信頼されていますが、もう XNUMX つは完全に信頼されていません。 XNUMX 番目の戦略は、ベル非局所性と呼ばれ、どのデバイスも信頼できない場合に適用されます。 これらの戦略のそれぞれについて、違反した場合にもつれを証明する不等式を導き出すことができます。
弱い測定が鍵
Kim 氏らは、認証後に元のもつれを回復できるようにこれらの戦略を再調整しました。 彼らの成功の鍵は、弱測定と呼ばれるプロセスにありました。
量子力学では、測定とは、量子システムを調査してそこから情報 (数値として) を取得するプロセスを指します。理論では、射影または「強い」測定と、非射影または「弱い」測定の XNUMX つの方法で測定をモデル化します。 従来の EC 戦略は射影測定を採用しており、各サブシステムを独立した状態に変換することで情報を抽出し、複合システムの結合状態が分離可能になる、つまり、もつれが完全に失われます。 対照的に、弱い測定値はサブシステムをそれほど急激に乱さないため、投影測定と比較して情報抽出が少なくなりますが、サブシステムは絡み合ったままになります。
チームは、各サブシステムの測定強度の制御パラメーターを導入し、これらのパラメーターを組み込むために証明不等式を再導出しました。 次に、証明される状態で量子ビット システムを繰り返し準備し、パラメーターの固定サブユニット値 (弱い測定) を測定しました。 すべての反復の後、認証の不平等の違反をチェックするために統計を収集しました。 違反が発生すると、つまり状態がもつれていることを意味し、同じサブシステム上で同じ強度のさらに適切な弱い測定を実装して、初期のもつれ状態をある程度の確率で回復します。 R （「可逆性」の場合）。
信頼の前提を解除する
物理学者らはまた、この理論的提案をサニャック干渉計と呼ばれるフォトニックセットアップで実証しました。 XNUMX つの戦略のそれぞれについて、彼らは、もつれを XNUMX つの光子の偏光状態にエンコードする XNUMX 部構成システムの典型的なサニャック セットアップを使用しました。 これには、測定強度と認証のための設定を制御し、初期状態をさらに取得するための特定の線形光学デバイスの導入が含まれます。
予想通り、彼らは測定強度が増加するにつれて可逆性が向上することを発見しました。 R が低下し、もつれの度合いが減少する一方で、各ケースの認定レベル (認定の不平等にどの程度違反しているかを示す尺度) が増加します。 これは、エンタングルメントがあまり失われることなく、したがって可逆性が失われることなく、認証レベルがある程度高いままであるような、測定強度の「スイートスポット」の存在を意味します。
弱さを讃えて
理想的な実験では、エンタングルメントのソースはすべての反復で同じ状態を準備すると信頼され、エンタングルメントが無害であることを証明するためにエンタングルメントを破壊します。 しかし、現実的なソースは毎回完全なもつれ状態を出力することはできないため、準備後すぐに有用なもつれをフィルタリングして除去することが重要です。 KAISTチームは、時間の関数としてもつれ状態と分離可能状態のマルチ量子ビット混合物を生成するノイズ源に自分たちのスキームを適用することで、これを実証しました。 さまざまなタイムステップで弱い測定値を使用し、証人の値をチェックすることで、チームは混合物からもつれを証明して回復し、信頼仮定を解除し、それをベルの非局所性実験にさらに使用しました。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/
