Contestualità nei sistemi compositi: il ruolo dell'entanglement nel teorema di Kochen-Specker

Contestualità nei sistemi compositi: il ruolo dell'entanglement nel teorema di Kochen-Specker

Vittoria J. Wright1 e Ravi Kunjwal2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona, ​​08860 Castelldefels, Spagna
2Centre for Quantum Information and Communication, Ecole polytechnique de Bruxelles, CP 165, Université libre de Bruxelles, 1050 Bruxelles, Belgio

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Astratto

Il teorema di Kochen-Specker (KS) rivela la non-classicità dei singoli sistemi quantistici. Al contrario, il teorema e l'entanglement di Bell riguardano la non-classicità dei sistemi quantistici compositi. Di conseguenza, a differenza dell'incompatibilità, l'entanglement e la non località di Bell non sono necessarie per dimostrare la contestualità KS. Tuttavia, qui troviamo che per i sistemi multiqubit, entanglement e non-località sono entrambi essenziali per le dimostrazioni del teorema di Kochen-Specker. In primo luogo, dimostriamo che le misurazioni disimpegnate (un rigoroso sovrainsieme di misurazioni locali) non possono mai fornire una prova logica (indipendente dallo stato) del teorema KS per i sistemi multiqubit. In particolare, misurazioni disimpegnate ma non locali - i cui autostati mostrano "nonlocalità senza entanglement" - non sono sufficienti per tali prove. Ciò implica anche che la dimostrazione del teorema di Gleason su un sistema multiqubit richiede necessariamente proiezioni entangled, come mostrato da Wallach [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. In secondo luogo, mostriamo che uno stato multiqubit ammette una dimostrazione statistica (dipendente dallo stato) del teorema KS se e solo se può violare una disuguaglianza di Bell con misurazioni proiettive. Stabiliamo anche la relazione tra l'entanglement ei teoremi di Kochen–Specker e Gleason più in generale nei sistemi multiqudit costruendo nuovi esempi di insiemi KS. Infine, discutiamo di come i nostri risultati gettano nuova luce sul ruolo della contestualità multiqubit come risorsa all'interno del paradigma del calcolo quantistico con l'iniezione di stato.

[Contenuto incorporato]

Sistemi fisici molto piccoli, come i fotoni di luce, si comportano in modi che contraddicono le teorie degli scienziati di fisica utilizzate prima dell'avvento della teoria quantistica. La teoria quantistica è stata sviluppata per descrivere questi sistemi molto piccoli e lo fa con molto successo. In generale, le teorie che precedono la teoria quantistica, spesso chiamate teorie classiche, sono tutte non contestuali. Una teoria è non contestuale se si può presumere che ogni proprietà osservabile di un sistema, come la sua posizione, abbia un valore definito in ogni momento tale che ogni volta e comunque questa proprietà viene misurata si troverà questo valore. Il teorema di Kochen-Specker dimostra come le previsioni della teoria quantistica non possano essere spiegate in modo non contestuale.

La teoria quantistica presenta anche altre importanti differenze rispetto alle teorie classiche, con due esempi importanti che sono la non località di Bell e l'entanglement. A differenza della contestualità di Kochen-Specker descritta sopra che coinvolge un singolo sistema quantistico, la nonlocalità e l'entanglement di Bell sono proprietà presenti solo quando studiamo più sistemi quantistici insieme. In questo lavoro, tuttavia, mostriamo che per i sistemi di più qubit (come in un computer quantistico) sia la nonlocalità di Bell che l'entanglement sono essenziali per la presenza della contestualità di Kochen-Specker.

Oltre alla rilevanza per i fondamenti della fisica, discutiamo di come le nostre scoperte possano portare a una migliore comprensione del vantaggio quantistico nell'informatica quantistica. Il vantaggio quantistico deve derivare dalle differenze tra la fisica quantistica e quella classica che descrivono rispettivamente i computer quantistici e classici. Pertanto, la comprensione della non-classicità dei sistemi multiqubit che studiamo presenta un percorso per sfruttare il potere del vantaggio quantistico.

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Citato da

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