Hur vet vi att ett kvantsystem verkligen beter sig kvantmekaniskt?

I sin senaste publikation i Physical Review Letters presenterar forskarna Emil Håkansson, Amelie Piveteau, Alban Seguinard, Sadiq Muhammad, Mohamed Bourennane och deras teorikollegor Otfried Gühne och Martin Plávala en härledning och experimentell implementering av en dimensionsberoende kontextualitetsolikhet för att certifiera både kvant- och dimensionaliteten hos ett givet system. Befintliga metoder för att certifiera dimensionen hos ett kvantsystem kan krintggås genom att använda större klassiska system, vilket skapar ett potentiellt kryphål i dessa referenser, eller kan endast utvärderas i praktiken genom att anta rena kvanttillstånd.

—

Vår metod använder sig av kontextualitetsolikheter som inte kan brytas av klassiska system, vilket täpper till de tidigare kryphålen. Vi validerar detta ramverk experimentellt med fotoner och observerar överträdelser av en CHSH-baserad kontextualitetsolikhet och överträffar kvantgränsen för den CGLMP4-baserade kontextualitetsolikheten. Detta visar att kontextualitet kan användas för störningsrobusta tester av antalet qubits.

 

Verifiering av de grundläggande icke-klassiska egenskaperna hos experimentella system

Att utnyttja de icke-klassiska egenskaperna hos kvantsystem har varit ett centralt fokus för kvantinformation i årtionden. Dessa icke-klassiska egenskaper kan se ut på många olika sätt, t.ex. sammanflätning, Bells icke-lokalitet eller kontextualitet, och experimentella bevis som bekräftar förekomsten av dessa icke-klassiska egenskaper har haft en betydande inverkan på vår förståelse av kvantinformation.

För att komma vidare mot praktiska tillämpningar av kvantinformation är det inte bara nödvändigt att experimentellt verifiera de grundläggande icke-klassiska egenskaperna hos de experimentella systemen, utan också att utveckla meningsfulla riktmärken som testar de kvantdatorer som för närvarande finns tillgängliga. En av de mest grundläggande egenskaperna hos en kvantdator är antalet qubits som finns i kvantdatorn, vilket i praktiken intygar dimensionen på det underliggande Hilbertrummet.

 

Jämförelser av kvantdatorer genom att täppa till kryphål

I det här arbetet utvecklar vi en ny klass av kontextualitetsolikheter som vittnar om dimensionen hos det underliggande kvantsystemet i ett ”förbered och mät”-scenario. Tidigare utvecklade tester av Hilbertrymmets dimension har haft följande kryphål: antingen har de godkänts av ett klassiskt system med tillräckligt hög dimension, eller så kräver deras utvärdering i interferometrar antaganden om renheten. Vår metod täpper till båda kryphålen: vårt test kan inte godkännas av ett klassiskt system med godtyckligt hög dimension och fungerar för en godtycklig uppsättning förberedelser, inte bara för rena tillstånd. Vi löser därmed ett kritiskt problem när det gäller benchmarking av kvantsystem genom att täppa till de kryphål som finns i tidigare tester av kvantsystemens dimension.

Experimentell uppställning (se publicerad artikel för detaljer, längre ner) 

För att komma vidare mot praktiska tillämpningar av kvantinformation är det inte bara nödvändigt att experimentellt verifiera de grundläggande icke-klassiska egenskaperna hos de experimentella systemen, utan också att utveckla meningsfulla riktmärken som testar de kvantdatorer som för närvarande finns tillgängliga. En av de mest grundläggande egenskaperna hos en kvantdator är antalet qubits som finns i kvantdatorn, vilket i praktiken intygar dimensionen på det underliggande Hilbertrummet.

 

Jämförelser av kvantdatorer genom att täppa till kryphål

De utvecklade kontextualitetsolikheterna mättes också experimentellt på en Sagnac-interferometer, och tillräcklig överträdelse observerades för att certifiera dimensionen på det underliggande kvantsystemet. Detta visar ytterligare att de utvecklade ojämlikheterna är genomförbara för att certifiera dimensionen på Hilbertrymden i en realistisk uppställning.

Den fullständiga studien har publicerats i Physical Review Letters.
Emil Håkansson, Amelie Piveteau, Alban Seguinard, Sadiq Muhammad, Mohamed Bourennane, Otfried Gühne och Martin Plávala, Phys. Rev. Lett. 134, 200202 (2025), DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.200202

 

Mer information

Experimentell implementering av dimensionsberoende kontextualitetsolikhet (på engelska) | Phys. Rev. Lett.
Physical Review Letters, 2025