اندازه گیری ضعیف به فیزیکدانان کوانتومی اجازه می دهد کیک خود را داشته باشند و آن را بخورند - دنیای فیزیک

در مقایسه با نوشتن عبارات ریاضی برای حالت های کوانتومی درهم تنیده روی یک صفحه کاغذ، تولید درهم تنیدگی واقعی کار دشواری است. در آزمایشگاه، فیزیکدانان فقط می‌توانند ادعا کنند که یک حالت کوانتومی آماده پس از گذراندن آزمایش تأیید درهم تنیدگی درهم می‌پیچد، و همه استراتژی‌های آزمایش مرسوم یک اشکال بزرگ دارند: آنها درهم تنیدگی را در فرآیند تأیید آن از بین می‌برند. این به این معنی است که پس از صدور گواهینامه، آزمایش‌کنندگان اگر می‌خواهند از آن استفاده کنند، باید دوباره سیستم را در همان حالت آماده کنند - اما این فرض را بر این می‌گذارد که به منبع خود اعتماد دارند تا هر بار به طور قابل اعتماد همان حالت را تولید کند.

در یک مطالعه جدید ، فیزیکدانان به رهبری هیون جین کیم از موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST) راهی برای دور زدن این فرض اعتماد پیدا کرد. آنها این کار را با اصلاح استراتژی های گواهی درهم تنیدگی معمولی (EC) به گونه ای انجام دادند که از نابودی کامل درهم تنیدگی اولیه جلوگیری می کند، و امکان بازیابی آن (البته با احتمال کمتر از 1) همراه با گواهی آن را فراهم می کند.

حالتی مرموز با تعریف دقیق

درهم تنیدگی، به همان اندازه که اسرارآمیز است، تعریف بسیار دقیقی در مکانیک کوانتومی دارد. بر اساس تئوری کوانتومی، سیستم های مرکب (یعنی دو یا چند سیستم به عنوان یک واحد مشترک در نظر گرفته می شوند) یا قابل تفکیک هستند یا درهم می مانند. در یک سیستم قابل تفکیک، همانطور که از نام آن پیداست، می توان به هر زیرسیستم یک حالت مستقل اختصاص داد. با این حال، در یک سیستم درهم تنیده، این امکان پذیر نیست زیرا زیرسیستم ها را نمی توان مستقل دید. همانطور که گفته می شود، "کل بزرگتر از اجزای آن است". درهم تنیدگی در بسیاری از زمینه ها، از جمله ارتباطات کوانتومی، محاسبات کوانتومی و نشان دادن تفاوت نظریه کوانتومی با نظریه کلاسیک، نقش مهمی ایفا می کند. بنابراین، توانایی تأیید آن ضروری است.

در آخرین اثری که در آن شرح می دهند با پیشرفتهای علمی, کیم و همکارانش تست‌های EC را شامل چند کیوبیت - ساده‌ترین سیستم‌های کوانتومی ممکن - مطالعه کردند. به طور معمول، سه استراتژی EC وجود دارد. اولین مورد، که شاهد نامیده می‌شود، برای موقعیت‌های آزمایشی اعمال می‌شود که در آن دو (یا چند) دستگاه اندازه‌گیری در هر زیرسیستم کاملاً قابل اعتماد هستند. در دومی که فرمان نامیده می شود، یکی از دستگاه ها کاملاً قابل اعتماد است، اما دیگری اینطور نیست. راهبرد سوم، به نام غیرمحلی بل، زمانی اعمال می شود که هیچ یک از دستگاه ها قابل اعتماد نیستند. برای هر یک از این استراتژی ها، می توان نابرابری هایی را استخراج کرد که در صورت نقض، درهم تنیدگی را تأیید می کند.

اندازه گیری ضعیف کلید اصلی است

کیم و همکارانش این استراتژی ها را به گونه ای بازسازی کردند که آنها را قادر ساخت تا گواهینامه اصلی پس از درهم تنیدگی را بازیابی کنند. کلید موفقیت آنها فرآیندی به نام اندازه گیری ضعیف بود.

در مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری به هر فرآیندی گفته می‌شود که یک سیستم کوانتومی را برای به دست آوردن اطلاعات (به‌عنوان اعداد) از آن بررسی می‌کند، و این نظریه اندازه‌گیری‌ها را به دو روش مدل‌سازی می‌کند: اندازه‌گیری‌های تصویری یا «قوی» و اندازه‌گیری‌های غیر تصویری یا «ضعیف». استراتژی‌های مرسوم EC از اندازه‌گیری‌های تصویری استفاده می‌کنند که با تبدیل هر زیرسیستم به یک حالت مستقل، اطلاعات را استخراج می‌کنند، به طوری که حالت مشترک سیستم ترکیبی قابل جدا شدن است - به عبارت دیگر، به طور کامل درهم تنیدگی خود را از دست می‌دهد. در مقابل، اندازه‌گیری‌های ضعیف، زیرسیستم‌ها را به شدت مختل نمی‌کنند، بنابراین زیرسیستم‌ها درهم‌تنیده می‌مانند – البته به قیمت استخراج اطلاعات کمتر در مقایسه با اندازه‌گیری‌های تصویری.

این تیم یک پارامتر کنترلی برای قدرت اندازه‌گیری در هر زیرسیستم معرفی کرد و نابرابری تأییدکننده را دوباره استخراج کرد تا این پارامترها را در خود جای دهد. سپس آنها به طور مکرر سیستم کیوبیت خود را در وضعیتی برای تایید آماده کردند و یک مقدار زیر واحد ثابت (اندازه گیری ضعیف) از پارامترها را اندازه گیری کردند. پس از تمام تکرارها، آنها آمار جمع آوری کردند تا نقض نابرابری گواهینامه را بررسی کنند. هنگامی که یک تخلف رخ داد، به این معنی که حالت درهم است، آنها اندازه‌گیری‌های ضعیف دیگری با همان قدرت روی همان زیرسیستم‌ها اجرا کردند تا حالت درهم‌تنیده اولیه را با احتمال کمی بازیابی کنند. R (برای "برگشت پذیری").

برداشتن فرض اعتماد

فیزیکدانان همچنین این پیشنهاد نظری را بر روی یک مجموعه فوتونیک به نام تداخل سنج ساگناک نشان دادند. برای هر یک از این سه استراتژی، آنها از یک تنظیم معمولی Sagnac برای یک سیستم دو بخشی استفاده کردند که درهم تنیدگی را در حالت قطبش دو فوتون رمزگذاری می کند. این شامل معرفی دستگاه های نوری خطی خاص برای کنترل قدرت اندازه گیری و تنظیمات برای صدور گواهینامه و بازیابی بیشتر حالت اولیه است.

همانطور که پیش بینی شد، آنها دریافتند که با افزایش قدرت اندازه گیری، برگشت پذیری R کاهش می یابد و درجه درهم تنیدگی کاهش می یابد، در حالی که سطح گواهی (معیار میزان نقض نابرابری گواهی) برای هر مورد افزایش می یابد. این به معنای وجود یک "نقطه شیرین" قدرت اندازه گیری است به طوری که سطوح گواهینامه بدون از دست دادن بیش از حد درهم تنیدگی و در نتیجه برگشت پذیری تا حدودی بالا باقی می ماند.

در ستایش ضعف

در یک آزمایش ایده آل، منبع درهم تنیدگی برای آماده سازی حالت یکسان در هر تکرار قابل اعتماد است و از بین بردن درهم تنیدگی به منظور تأیید آن خوش خیم خواهد بود. اما یک منبع واقع بینانه ممکن است هرگز یک حالت کاملاً در هم تنیده را خروجی ندهد، بنابراین فیلتر کردن درهم تنیدگی مفید بلافاصله پس از آماده شدن ضروری است. تیم KAIST این را با اعمال طرح خود بر روی یک منبع پر سر و صدا نشان داد که مخلوطی چند کیوبیتی از یک حالت درهم‌تنیده و قابل جداسازی را به عنوان تابعی از زمان تولید می‌کند. با استفاده از اندازه‌گیری‌های ضعیف در مراحل زمانی مختلف و بررسی ارزش شاهد، تیم درهم تنیدگی را از مخلوط تأیید و بازیابی کرد، فرض اعتماد را برداشته و از آن برای آزمایش غیرمحلی Bell بیشتر استفاده کرد.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/