Onderzoekers in Singapore en de Verenigde Staten hebben ontdekt dat alle verstrengelde toestanden van twee deeltjes een klassieke 'vingerafdruk' hebben. Deze doorbraak kan ingenieurs helpen beschermen tegen fouten en apparaten die niet doen wat ze beloven in kwantumcomputing en kwantumcryptografie.

Goh Koon Tong en Valerio Scarani bij het Center for Quantum Technologies aan de National University of Singapore, met Andrea Coladangelo aan het California Institute of Technology, gemeld in Natuurcommunicatie op 26 mei dat een eenvoudige reeks metingen kan dienen als identiteitscontrole voor elke verstrengelde toestand van twee deeltjes. De aanwezigheid van deze vingerafdruk kan helpen bij het certificeren van kwantumcomputers of kwantumversleutelingsapparaten die van derden zijn gekocht.

Een verstrengelde kwantumtoestand is gemaakt van twee of meer deeltjes die worden vastgehouden in een groot aantal onbesliste uitkomsten. Dergelijke toestanden zijn brandstof voor kwantumcomputing en brengen veiligheid voor kwantumcommunicatie. Het probleem is, het is moeilijk te controleren of deze staten de eigenschappen hebben die van hen worden verwacht. Dat laat de deur open voor slecht functionerende apparaten.

"Ik zie ons werk graag als het brengen van de kracht van het testen van kwantumapparaten naar de consumenten die ze gebruiken. Momenteel, alleen degenen die de apparaten bouwen of het technische aspect ervan begrijpen, kunnen de test uitvoeren, ", zegt Goh. Kwantumfysici zouden deze 'zelftest'-tool ook kunnen gebruiken als controlestap in laboratoriumexperimenten.

Het werk bouwt voort op resultaten van andere groepen, het uitbreiden van bevindingen voor qubits naar de meer exotische qudits. Qudits zijn hoger-dimensionale kwantumbits. In plaats van alleen een binair stukje informatie op te slaan - een 0 of 1 - heeft een qudit een grotere informatiedichtheid, een 0 opslaan, 1, 2, 3, 4, enz. Dergelijke staten, hoewel moeilijk te maken, zijn interessant omdat ze sommige computer- of communicatietaken kunnen versnellen.

Het idee van zelftesten is belangrijk omdat het over het algemeen moeilijk is om veel informatie te verkrijgen over de kwantumtoestand van een deeltje. De toestand van een deeltje wordt beschreven door een 'golffunctie' die de kansen codeert voor de verschillende eigenschappen van het deeltje, zoals polarisatie of momentum. Om zeker te zijn van een kwantumtoestand, je moet de hele golffunctie kennen. Echter, er is hier een probleem. Het meten van de kwantumtoestand onthult slechts één waarde - niet de volledige reeks mogelijkheden.

De traditionele manier om de volledige kwantumtoestand te leren kennen, omvat een techniek die tomografie wordt genoemd. Dit vereist het meten van veel kopieën van de kwantumtoestand op verschillende manieren, het optellen van alle uitkomsten van de verschillende metingen om een ​​volledige set van kansen te geven. Het omvat ook een moeizaam proces om de meetapparatuur te karakteriseren en uit te lijnen met de bron van de kwantumdeeltjes.

Zelftesten is efficiënter, minder metingen nodig. Het is ook 'apparaatonafhankelijk', of zoals blinde tomografie - geen karakterisering van het meetapparaat nodig, zolang het apparaat gegarandeerd de meeste deeltjes detecteert. Dit komt omdat de vingerafdruk een patroon is van resultaten over metingen van de twee deeltjes die alleen consistent kunnen worden gecreëerd door de vreemde correlaties in de kwantumtoestand, niet door een klassiek proces of door toeval. Het zien van dit patroon betekent dan dat de kwantumtoestand aanwezig moet zijn.

Het beroemde 'CHSH-experiment' in de kwantumfysica is een voorbeeld van vingerafdrukken voor een kwantumtoestand van twee qubits. Om te bewijzen dat vingerafdruktests bestaan ​​voor alle twee-qudit-toestanden, de auteurs toonden aan dat deze toestanden kunnen worden beschouwd als samengesteld uit blokken van systemen met twee niveaus, vergelijkbaar met qubits. Nog beter, deze wiskundige equivalentie geeft aan welke metingen nodig zijn - hoewel het nog niet duidelijk is of ze experimenteel vriendelijk zijn om te maken.

Het team hoopt dat deze ontdekking een nieuwe golf van onderzoek zal motiveren om eenvoudige manieren te vinden om deze controle in experimenten of apparaten op te nemen. Tot dusver, de tekenen zijn goed. "Van al mijn werk in de afgelopen vijf jaar, dit heeft de meeste aandacht getrokken, ", zegt Scarani. Naast het horen van collega's die geïnteresseerd zijn in het resultaat, hij is uitgenodigd om een ​​lezing te geven over zelftesten bij QCrypt, een jaarlijkse conferentie over kwantumcryptografie die dit jaar in september in het VK wordt gehouden.