מדידה חלשה מאפשרת לפיסיקאי הקוונטים לקבל את העוגה שלהם ולאכול אותה - עולם הפיזיקה

בהשוואה לשרבוט ביטויים מתמטיים למצבים קוונטיים סבוכים על דף נייר, הפקת הסתבכות אמיתית היא משימה מסובכת. במעבדה, פיזיקאים יכולים לטעון שמצב קוונטי מוכן מסתבך רק לאחר שהוא עובר מבחן אימות הסתבכות, ולכל אסטרטגיות הבדיקה הקונבנציונליות יש חיסרון גדול: הם הורסים את ההסתבכות בתהליך אישורו. משמעות הדבר היא שאחרי ההסמכה, הנסיינים חייבים להכין את המערכת שוב באותו מצב אם הם רוצים להשתמש בה - אבל זה מניח שהם סומכים על המקור שלהם שיפיק בצורה מהימנה את אותו מצב בכל פעם.

במחקר חדש, פיזיקאים בראשות היון-ג'ין קים מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה של קוריאה (KAIST) מצא דרך לעקוף את הנחת האמון הזו. הם עשו זאת על ידי חידוד אסטרטגיות הסמכת הסתבכות קונבנציונלית (EC) באופן שמונע הרס מוחלט של ההסתבכות הראשונית, מה שמאפשר לשחזר אותו (אם כי בסבירות < 1) יחד עם ההסמכה שלו.

מדינה מסתורית עם הגדרה מדויקת

להסתבכות, מסתורית ככל שהיא עשויה להישמע, יש הגדרה מאוד מדויקת בתוך מכניקת הקוונטים. על פי תורת הקוונטים, מערכות מורכבות (כלומר שתי מערכות או יותר הנחשבות כיחידה משותפת) ניתנות להפרדה או מסתבכות. במערכת ניתנת להפרדה, כפי שהשם מרמז, לכל תת-מערכת ניתן להקצות מדינה עצמאית. עם זאת, במערכת סבוכה זה לא אפשרי מכיוון שלא ניתן לראות את תת-המערכות כעצמאיות; כפי שנאמר במשפט, "השלם גדול מחלקיו". להסתבכות תפקיד מכריע בתחומים רבים, כולל תקשורת קוונטית, חישוב קוונטי והדגמות כיצד תורת הקוונטים שונה מהתיאוריה הקלאסית. היכולת לאמת זאת היא אפוא הכרחית.

בעבודה האחרונה, שבה הם מתארים התקדמות מדע, קים ועמיתיו למדו מבחני EC הכוללים קיוביטים מרובים - המערכות הקוונטיות הפשוטות ביותר. באופן קונבנציונלי, יש שלוש אסטרטגיות EC. הראשון, הנקרא עדות, חל על מצבים ניסיוניים שבהם שני מכשירים (או יותר) המבצעים מדידות בכל תת-מערכת הם מהימנים לחלוטין. במכשיר השני, המכונה היגוי, אחד מהמכשירים זוכה לאמון מלא, אבל השני לא. האסטרטגיה השלישית, הנקראת Bell nonlocality, חלה כאשר אף אחד מהמכשירים אינו מהימן. עבור כל אחת מהאסטרטגיות הללו, ניתן לגזור אי-שוויון אשר, אם הם מופרים, מאשרים הסתבכות.

מדידה חלשה היא המפתח

קים ועמיתיו שינו את האסטרטגיות הללו בצורה שאפשרה להם לשחזר את ההסמכה המקורית לאחר ההסתבכות. המפתח להצלחתם היה תהליך שנקרא מדידה חלשה.

במכניקת הקוונטים, מדידה היא כל תהליך שחוקר מערכת קוונטית כדי לקבל ממנה מידע (כמספרים), והתיאוריה מדגמנת מדידות בשתי דרכים: מדידות השלכתיות או "חזקות" ומדידות לא השלכות או "חלשות". אסטרטגיות EC קונבנציונליות משתמשות במדידות השלכתיות, אשר שואבות מידע על ידי הפיכת כל תת-מערכת למצב עצמאי, כך שהמצב המשותף של המערכת המרוכבת הופך להיות נפרד - במילים אחרות, היא מאבדת לחלוטין את ההסתבכות שלה. מדידות חלשות, לעומת זאת, אינן מפריעות לתתי המערכות בצורה כה חדה, כך שתתי המערכות נותרות סבכות – אם כי במחיר של מיצוי מידע פחות בהשוואה למדידות השלכתיות.

הצוות הציג פרמטר בקרה לחוזק המדידה בכל תת-מערכת וגזר מחדש את אי השוויון המאשר כדי לשלב פרמטרים אלו. לאחר מכן הם הכינו באופן איטרטיבי את מערכת הקיוביט שלהם במדינה לאישור ומדדו ערך תת-יחידה קבוע (מדידה חלשה) של הפרמטרים. לאחר כל האיטרציות, הם אספו נתונים סטטיסטיים כדי לבדוק את הפרת אי השוויון באישורים. ברגע שהתרחשה הפרה, כלומר המצב הסתבך, הם יישמו מדידות חלשות מתאימות נוספות באותה חוזק באותן תת-מערכות כדי לשחזר את המצב הראשוני הסתבך בסבירות מסוימת R (עבור "הפיכות").

הסרת הנחת האמון

הפיזיקאים גם הדגימו את ההצעה התיאורטית הזו על מערך פוטוני שנקרא אינטרפרומטר Sagnac. עבור כל אחת משלוש האסטרטגיות, הם השתמשו בהגדרה טיפוסית של Sagnac למערכת דו-חלקית המקודדת הסתבכות למצב הקיטוב של שני פוטונים. זה כרוך בהכנסת מכשירים אופטיים לינאריים מסוימים כדי לשלוט בחוזק המדידה ובהגדרות עבור הסמכה ואחזור נוסף של המצב ההתחלתי.

כפי שצפוי, הם גילו שככל שעוצמת המדידה עולה, ההפיכות R יורד ומידת ההסתבכות יורדת, בעוד שרמת ההסמכה (מדד למידת הפגיעה באי השוויון המאשר) לכל מקרה עולה. זה מרמז על קיומו של "נקודה מתוקה" של חוזק מדידה כך שרמות ההסמכה נשארות גבוהות במידה מסוימת ללא אובדן רב מדי של הסתבכות, ומכאן הפיכות.

בשבח החולשה

בניסוי אידיאלי, ניתן יהיה לסמוך על מקור ההסתבכות שיכין את אותו מצב בכל איטרציה, והשמדת ההסתבכות על מנת לאשר אותה תהיה שפירה. אך ייתכן שמקור מציאותי לעולם לא יוציא מצב סבוך מושלם בכל פעם, מה שהופך אותו חיוני לסנן הסתבכות שימושית זמן קצר לאחר הכנתו. צוות KAIST הדגים זאת על ידי יישום התכנית שלהם על מקור רועש שמייצר תערובת מרובת קיוביטים של מצב סבוך וניתן להפרדה כפונקציה של זמן. על ידי שימוש במדידות חלשות בשלבי זמן שונים ובדיקת ערכו של העד, הצוות אישר ושיחזר את ההסתבכות מהתערובת, הסרה את הנחת האמון והשתמש בה עוד יותר עבור ניסוי בל לא מקומי.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/