Sinds de ontdekking van de kwantummechanica, in het begin van de 20e eeuw, natuurkundigen hebben vertrouwd op optica om de fundamenten te testen.

Zelfs vandaag, lineaire kwantumoptica - de fysica van hoe enkele fotonen zich gedragen in spiegels, golfplaten, en bundelsplitsers - loopt voorop op het gebied van waarnemingen van verstrengeling van meerdere partijen, testen van kwantum niet-lokaliteit, en het aanpakken van fundamentele vragen over de aard van de werkelijkheid zelf.

Licht vermijdt notoir interactie. Een lichtstraal heeft niet snel invloed op iets over een tweede straal - ze tellen gewoon op, door tussenkomst, en gaan hun gang.

Daten, kwantummechanische tests vertrouwden op ons vermogen om lichttoestanden te produceren waarin, wanneer alle fotonen worden gemeten, een subset van de meetpatronen kan worden uitgezeefd - die waarin een gewenste interactie heeft plaatsgevonden. Natuurkundigen noemen deze techniek 'postselectie'.

Nieuw werk door een team van het Centre for Quantum Photonics van de Universiteit van Bristol heeft fundamentele limieten blootgelegd aan de kwantumbewerkingen die met naselectie kunnen worden uitgevoerd. Terwijl natuurkundigen steeds grotere kwantumtoestanden van licht bouwen, steeds minder verstrengelde toestanden zijn bereikbaar met alleen naselectie.

Het Bristol-team ontdekte dat naarmate de complexiteit van het postselectieschema toeneemt, de gewenste interactietoestand, die in het begin gemakkelijk te onderscheiden is van de grotere staat, begint zich niet te onderscheiden van het lawaai, waardoor naselectie onmogelijk is.

Elk foton kan een kwantumbit dragen, of 'qubit', van kwantuminformatie, voor toepassingen variërend van kwantumcomputing tot kwantumcommunicatie. Een belangrijke klasse van verstrengelde toestanden zijn de 'graaftoestanden', zo genoemd omdat hun verstrengeling kan worden gevisualiseerd als verbindingen tussen de qubit-knooppunten van een grafiek.

Door hun postselecteerbaarheidsheuristieken toe te passen op grafiektoestanden, de onderzoekers hebben gecatalogiseerd welke grafieken tot negen qubits achteraf selecteerbaar zijn, vinden dat deze minder dan een vijfde van het totaal zijn. Deze fractie zal naar verwachting sterk dalen voor grotere kwantumsystemen, het beperken van de soorten verstrengeling die kunnen worden bereikt met de huidige kwantumfotonische technologie, en het versterken van de roep om nieuwe technologieën om fotonen te genereren en te verstrengelen.

Het werk is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Kwantumwetenschap en technologie .

Jeremy Adcock, hoofdauteur van het nieuwe werk, zei:"Hoewel onze regels voor naselectie aantonen dat de meeste staten verboden terrein zijn, ze vertellen ons ook hoe we experimenten met maximale complexiteit kunnen bouwen."

Dr. Joshua Silverstone, die het project leidde, en is een Leverhulme Early Career Fellow bij Bristol, toegevoegd:"Mensen weten al jaren van problemen met naselectie, maar het is opmerkelijk dat we nu pas door de fundamentele grenzen heen kunnen kijken."

"De naselectie heeft nog wat strijd in zich, maar dit werk zou mensen echt aan het denken moeten zetten over moderne benaderingen van optische kwantumtechnologie."