Louisiana State University universitair hoofddocent natuurkunde Mark M. Wilde en zijn medewerker hebben een 20 jaar oud probleem opgelost in de kwantuminformatietheorie over het berekenen van verstrengelingskosten - een manier om verstrengeling te meten - op een manier die efficiënt berekenbaar is. bruikbaar, en breed toepasbaar in verschillende kwantumonderzoeksgebieden.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Wilde en co-auteur Dr. Xin Wang van Baidu Research beschrijven hoe het mogelijk maakt om een ​​iets breder scala aan fysieke operaties toe te staan ​​dan wat bekend staat als LOCC (lokale operaties en klassieke communicatie) - die kwantumwetenschappers al enige tijd verbijsterd hebben met moeilijke wiskunde - maakt het mogelijk om de exacte verstrengelingskosten van een gegeven kwantumtoestand te karakteriseren. Hun werk sluit een langdurig onderzoek in de verstrengelingstheorie af dat bekend staat als de "PPT exacte verstrengelingskosten van een kwantumtoestand."

Kwantuminformatiewetenschap heeft tot doel de vreemde en soms spookachtige eigenschappen van kwantumtoestanden (dat wil zeggen, verstrengelde toestanden) die informatieverwerkingstaken mogelijk maken die onmogelijk zijn in de niet-kwantumwereld, zoals teleportatie, kwantumcomputers, en absoluut veilige communicatie.

De meest elementaire eenheid van verstrengeling staat bekend als een Bell-staat. Je kunt het zien als het kleinst mogelijke molecuul dat bestaat uit twee verstrengelde atomen (qubits, echt) waarvan de verstrengeling absoluut is, wat inhoudt, als je naar een van hen zou kunnen kijken, je zou zonder enige twijfel weten dat de andere zijn tweelingbroer zou zijn, met dezelfde kenmerken. Als twee mensen die een munt opgooien; als een persoon staarten krijgt, wat redelijkerwijs een 50/50 kans is, de ander zou gegarandeerd staarten krijgen (of ze krijgen allebei kop, hetzelfde), een gevolg van absolute verstrengeling of een Bell-toestand. Aanvullend, niemand anders in het universum kan de exacte uitkomst van het opgooien weten, en dit is de belangrijkste reden waarom beveiligde communicatie op basis van kwantumverstrengeling zowel mogelijk als wenselijk is.

"Kwantumverstrengeling is een soort supercorrelatie die twee verre partijen delen, Wilde legde uit. "Als de wereld alleen door de klassieke natuurkunde zou worden beschreven, dan zou het niet mogelijk zijn om de sterke correlaties beschikbaar te hebben met kwantumverstrengeling. Echter, onze wereld is fundamenteel kwantummechanisch, en verstrengeling is er een essentieel kenmerk van."

Toen kwantumverstrengeling voor het eerst werd ontdekt in de jaren dertig, men dacht dat het hinderlijk was omdat het moeilijk te begrijpen was, en onduidelijk wat de voordelen ervan zouden zijn. Maar met de opkomst van de kwantuminformatiewetenschap in de jaren negentig, het werd in theoretische zin opgevat als de sleutel tot opmerkelijke kwantumtechnologieën. Recente voorbeelden van dergelijke technologieën zijn onder meer het Chinese teleportatie-experiment van grond naar satelliet in 2017 en Google's prestatie op het gebied van kwantumcomputationele suprematie vorig jaar.

bij LSU, kwantumfysici zoals Omar Magaña-Loaiza en Thomas Corbitt voeren routinematig experimenten uit die zouden kunnen profiteren van de nieuwe en nauwkeurigere meting van Wilde en Wang. In hun respectievelijke laboratoria, Magaña-Loaiza heeft onlangs verstrengelde toestanden gegenereerd via voorwaardelijke metingen, wat een belangrijke stap is in de ontwikkeling van verstrengelde laserachtige systemen, terwijl Corbitt een onderzoek uitvoerde naar optomechanische verstrengeling, die het potentieel heeft om een ​​betrouwbare bron van multifotonenverstrengeling bij korte golflengten te zijn. Wilde en Wang's nieuwe verstrengelingsmaatregel, genaamd κ verstrengeling of max-logaritmische negativiteit, kan worden gebruikt voor het beoordelen en kwantificeren van de verstrengeling die wordt geproduceerd in een breed scala aan kwantumfysische experimenten.

Basisverstrengelingseenheden of Bell-statussen worden ook wel e-bits genoemd. Verstrengeling kan op twee verschillende manieren worden bekeken:ofwel hoeveel e-bits er nodig zijn om een ​​kwantumtoestand voor te bereiden, of hoeveel e-bits men zou kunnen extraheren of "destilleren" uit een complexe verstrengelde toestand. De eerste staat bekend als verstrengelingskosten en is het probleem dat Wilde en Wang beschouwden.

"E-bits zijn een kostbare hulpbron en je wilt er zo min mogelijk van gebruiken, ' zei Wilde. 'In de natuurkunde, je wilt vaak zowel het voorwaartse proces als het achterwaartse proces bekijken. Is het omkeerbaar? En als het zo is, verlies ik onderweg iets? En het antwoord daarop is ja."

Wilde geeft toe dat het probleem dat hij en Wang hebben opgelost enigszins esoterisch is - een wiskundige truc. Echter, het stelt kwantuminformatiewetenschappers in staat om verstrengelingskosten efficiënt te berekenen, gegeven bepaalde beperkingen.

"Niet alle verstrengelingsmaatregelen zijn efficiënt berekenbaar en hebben een betekenis zoals verstrengelingskosten. Dat is een belangrijk onderscheid tussen al het eerdere werk en het onze, ' voegde Wilde eraan toe.

Hoewel het ontbreken van dit soort maatregelen al meer dan 20 jaar een achilleshiel is in de kwantuminformatiewetenschap, het was - ironisch genoeg - dat Wilde maximaal negatief "verstrikt" raakte tijdens een basketbalwedstrijd in 2018 die ertoe leidde dat hij en Wang het probleem uiteindelijk oplosten.

"Ik scheurde mijn achilleshiel terwijl ik voor het winnende punt van de wedstrijd ging, heb toen een operatie ondergaan om het te repareren, en kon anderhalve maand niet uit bed komen, "Wilde herinnert zich. "Dus, Ik schreef een onderzoekspaper over verstrengelingskosten, en toen Xin Wang erover hoorde, hij vroeg me of ik interesse had om dit probleem verder uit te werken. We zijn toen samen gaan werken, heen en weer, en dat werd de krant die we nu hebben gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . We werden daarna goede vrienden en medewerkers - het is opmerkelijk hoeveel verrassingen er in het leven kunnen voorkomen."