Квантовые состояния можно различать по измеримыми «отпечатками пальцев»

Исследователи из Сингапура и США обнаружили, что все запутанные состояния двух частиц имеют классический «отпечаток пальца». Этот прорыв может помочь инженерам защититься от ошибок и устройств, которые не выполняют должных функций в категории квантовой криптографии или квантовых вычислений. Гох Кун Тонг и Валерио Скарани из Центра квантовых технолоогий в Национальном университете Сингапура совместно с Андреа Коладанджело из Калифорнийского технологического института сообщили 26 мая в Nature Communications о том, что простой набор измерений может действовать как проверка личности для любого двухчастичного запутанного состояния. Наличие этого отпечатка пальцев может помочь сертифицировать квантовые компьютеры или устройства квантового шифрования, приобретенные у третьих лиц.

Запутанное квантовое состояние состоит из двух или более частиц, удерживаемых во множестве вероятностных значений. Такие состояния являются основой для квантовых вычислений и обеспечивают безопасность для квантовой коммуникации. Проблема в том, что трудно проверить то, что эти состояния обладают ожидаемыми свойствами. По такому признаку можно выявлять плохо функционирующие устройства.

«Мне нравится видеть, что наша работа заключается в том, чтобы дать возможность тестирования квантовых устройств потребителям, которые их используют. В настоящее время только те кто их создают могут проводить тесты» - сообщил Го.

Квантовые физики могли также использовать этот инструмент «самотестирования» в качестве этапа проверки в лабораторных экспериментах.

Работа основана на результатах других групп, которая расширяет значения кубитов до более экзотических — кудитов. Кудиты — это более крупные квантовые биты. Вместо того, чтобы хранить двоичный бит информации — 0 или 1, кудиты имеют большую плотность информации, сохраняя 0, 1, 2, 3, 4 и т. д. Такие состояния, хотя их и трудно сделать, достаточно интересны в силу того что за счет них можно ускорить некоторые вычислительные или коммуникационные задачи.

Идея самотестирования значительна. Как правило трудно получить много информации о квантовом состоянии частицы. Состояние частицы описывается «волновой функцией», которая кодирует вероятности различных свойств частицы, таких как поляризация или импульс. Чтобы быть уверенным в квантовом состоянии, вам нужно знать всю волновую функцию. Однако, здесь есть проблема. Измерение квантового состояния показывает только одно значение — не полный набор вероятных значений.

Традиционный способ получения всех значений квантовой системы заключен в использовании метода томографии. Для этого требуется много измерений квантовых состояний по-разному, подсчитывая при этом все результаты различных измерений для того чтобы дать полный набор вероятностей. Он также включает в себя кропотливый процесс характеризации измерительных приборов и согласования их с источником квантовых частиц.

Самотестирование более эффективно, так как требуется меньшее число измерений. Оно также «не зависит от устройства» или, как в случае слепой томографии, не нуждается в характеристиках устройства, если устройство обнаруживает большую часть частиц с какой-то доверительной вероятностью. Это связано с тем, что отпечаток пальца, является образцом результатов измерений двух коррелировавших частиц, которые могут быть последовательно созданы из-за корреляций в квантовом состоянии. А не каким-то классическим процессом или случайным образом. Наличие этого эталонного образца означает , что квантовое состояние должно присутствовать.

Известный «CHSH эксперимент» в квантовой физике является примером отпечатка пальцев для квантового состояния из двух кубитов. Для того чтобы доказать, что тесты отпечатков пальцев существуют для всех двух кудидтных состояний, авторы показали, что такие состояния можно рассматривать как совокупность блоков двухуровневых систем, похожих на обычные кубиты. Математический эквивалент подобного преобразования указывает на то, какие измерения необходимы — хотя пока не ясно насколько это вообще удобно в экспериментах.

Команда надеется, что это открытие будет мотивировать новую волну исследований, для того чтобы найти простые способы включить эту проверку в эксперименты или устройства.

«Из всей моей работы за последние пять лет это привлекло наибольшее внимание», - сообщил Скарани.

Ему было предложено сделать доклад о самотестировании на ежегодной конференции Qcrypt, посвященной квантовой криптографии, которая состоится в этом году в сентябре в Великобритании.

Пояснения к изображениям:

На изображении 71_1 показана картинка, которая символично поясняет наличие своего «отпечатка пальцев» у пары запутанных частиц.

На изображении 71_2, Figure 1, показана схема самотестирования. Она разбита на две части — слева часть реальных приборов, которые участвует в эксперименте, справа математические объекты которые имеют определенную связь с ними. В начале (а) регистрируются входы и выходы измерений из эксперимента Белла в лаборатории. Используя данные, полученные из эксперимента (b) можно оценить корреляции для эксперимента Белла. На области (с) строится локальная изометрия Ф как диаграмма схемы. Вентили F и F_- в этой диаграмме обозначают квантовое прямое преобразование Фурье и обратное. Вентили R и S, которые действуют совместно на |psi> вспомогательной системы являются унитарными. На области (d) если можно показать, что используемые корреляции, локальная изометрия которых такова что Ф(|psi>) = |extra> (x) |psi_target>, то можно заключить что корреляции самотестируемы для |psi_target>.

На изображении 71_3, Figure 2, показаны блочно-диагональные корреляции для двухкубитных отпечатков пальцев. На области (а) показаны синим цветом блочно-диагональные корреляции для параметров измерения х, y с {0, 1} «удостоверяют» пары «четных» чисел, в то время как для параметров x с {0, 2}, y с {2, 3} красным цветом определяются «нечетные» числа. Таблица корреляций описывает структуру блочно-диагональных корреляций, необходимых для самотестирования. Блоки в синем соответствуют корреляциям для параметров измерения параметров x, y с {0, 1}, а красным цветом блоки соответствуют корреляциям для параметров измерения параметров x c {0, 2}, y c {2, 3}.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник: phys.org

Комментарии: