Contextualiteit in samengestelde systemen: de rol van verstrengeling in de stelling van Kochen-Specker

Contextualiteit in samengestelde systemen: de rol van verstrengeling in de stelling van Kochen-Specker

Victoria J Wright1 en Ravi Kunjwal2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology, 08860 Castelldefels, Spanje
2Centrum voor Quantuminformatie en Communicatie, Ecole polytechnique de Bruxelles, CP 165, Universitรฉ libre de Bruxelles, 1050 Brussel, Belgiรซ

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

De stelling van Kochen-Specker (KS) onthult de niet-klassiekheid van enkele kwantumsystemen. De stelling en verstrengeling van Bell hebben daarentegen betrekking op de niet-klassiekheid van samengestelde kwantumsystemen. Dienovereenkomstig zijn, in tegenstelling tot incompatibiliteit, verstrengeling en Bell-non-lokaliteit niet nodig om KS-contextualiteit aan te tonen. Hier zien we echter dat voor multiqubit-systemen verstrengeling en non-lokaliteit beide essentieel zijn voor het bewijs van de Kochen-Specker-stelling. Ten eerste laten we zien dat onverstrengelde metingen (een strikte superset van lokale metingen) nooit een logisch (toestandsonafhankelijk) bewijs kunnen opleveren van de KS-stelling voor multiqubit-systemen. Met name niet-verstrengelde maar niet-lokale metingen - waarvan de eigentoestanden "non-lokaliteit zonder verstrengeling" vertonen - zijn onvoldoende voor dergelijke bewijzen. Dit impliceert ook dat het bewijzen van de stelling van Gleason over een multiqubit-systeem noodzakelijkerwijs verstrengelde projecties vereist, zoals aangetoond door Wallach [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. Ten tweede laten we zien dat een multiqubit-toestand een statistisch (toestandsafhankelijk) bewijs van de KS-stelling toelaat als en slechts als het een Bell-ongelijkheid kan schenden met projectieve metingen. We leggen ook de relatie vast tussen verstrengeling en de stellingen van Kochen-Specker en Gleason meer in het algemeen in multiqudit-systemen door nieuwe voorbeelden van KS-sets te construeren. Ten slotte bespreken we hoe onze resultaten een nieuw licht werpen op de rol van multiqubit-contextualiteit als hulpmiddel binnen het paradigma van kwantumberekening met toestandsinjectie.

[Ingesloten inhoud]

Zeer kleine fysieke systemen, zoals fotonen van licht, gedragen zich op een manier die in tegenspraak is met de theorieรซn van natuurkundige wetenschappers die vรณรณr de komst van de kwantumtheorie werden gebruikt. De kwantumtheorie is ontwikkeld om deze zeer kleine systemen te beschrijven en doet dat met veel succes. In grote lijnen zijn de theorieรซn die dateren van vรณรณr de kwantumtheorie, vaak klassieke theorieรซn genoemd, allemaal niet-contextueel. Een theorie is niet-contextueel als kan worden aangenomen dat elke waarneembare eigenschap van een systeem, zoals zijn positie, te allen tijde een bepaalde waarde heeft, zodat wanneer en hoe deze eigenschap ook wordt gemeten, men deze waarde zal vinden. De stelling van Kochen-Specker laat zien hoe de voorspellingen van de kwantumtheorie niet op een niet-contextuele manier kunnen worden verklaard.

De kwantumtheorie heeft ook andere grote verschillen met klassieke theorieรซn, met als twee prominente voorbeelden Bell-non-lokaliteit en verstrengeling. In tegenstelling tot de hierboven beschreven Kochen-Specker-contextualiteit, waarbij een enkel kwantumsysteem betrokken is, zijn Bell-non-lokaliteit en verstrengeling eigenschappen die alleen aanwezig zijn als we meerdere kwantumsystemen samen bestuderen. In dit werk laten we echter zien dat voor systemen met meerdere qubits (zoals in een kwantumcomputer) zowel Bell-non-lokaliteit als verstrengeling essentieel zijn voor de aanwezigheid van Kochen-Specker-contextualiteit.

Naast de relevantie voor de grondslagen van de fysica, bespreken we hoe onze bevindingen kunnen leiden tot een beter begrip van kwantumvoordeel in kwantumcomputing. Kwantumvoordeel moet voortkomen uit de verschillen tussen de kwantumfysica en de klassieke fysica die respectievelijk kwantum- en klassieke computers beschrijft. Daarom biedt het begrijpen van de niet-klassieke aard van de multiqubit-systemen die we bestuderen een pad om de kracht van kwantumvoordeel te benutten.

โ–บ BibTeX-gegevens

โ–บ Referenties

[1] Erwin Schrรถdinger. Bespreking van waarschijnlijkheidsrelaties tussen gescheiden systemen. In Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, volume 31, pagina's 555-563. Cambridge University Press, 1935. doi:10.1017/โ€‹S0305004100013554.
https: / / doi.org/ 10.1017 / S0305004100013554

[2] Noah Linden en Sandu Popescu. Goede dynamiek versus slechte kinematica: is verstrengeling nodig voor kwantumberekening? Fysiek. Rev. Lett., 87:047901, 2001. doi:10.1103/PhysRevLett.87.047901.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.87.047901

[3] Animesh Datta en Guifre Vidal. De rol van verstrengeling en correlaties in kwantumberekeningen met gemengde toestanden. Fysiek. A, 75:042310, 2007. doi:10.1103/PhysRevA.75.042310.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.042310

[4] Victor Veitch, Christopher Ferrie, David Gross en Joseph Emerson. Negatieve quasi-waarschijnlijkheid als hulpmiddel voor kwantumberekening. Nieuwe J. Phys., 14(11):113011, 2012. doi:10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹14/โ€‹11/โ€‹113011.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹14/โ€‹11/โ€‹113011

[5] Mark Howard, Joel Wallman, Victor Veitch en Joseph Emerson. Contextualiteit levert de 'magie' voor kwantumberekeningen. Natuur, 510(7505):351โ€“355, 2014. doi:10.1038/nature13460.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature13460

[6] Claudio Carmeli, Teiko Heinosaari en Alessandro Toigo. Quantum willekeurige toegangscodes en onverenigbaarheid van metingen. EPL (Europhysics Letters), 130(5):50001, 2020. doi:10.1209/โ€‹0295-5075/โ€‹130/โ€‹50001.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1209/โ€‹0295-5075/โ€‹130/โ€‹50001

[7] Toby S Cubitt, Debbie Leung, William Matthews en Andreas Winter. Verbetering van foutloze klassieke communicatie met verstrengeling. Fysiek. Rev. Lett., 104:230503, 2010. doi:10.1103/PhysRevLett.104.230503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.230503

[8] Shiv Akshar Yadavalli en Ravi Kunjwal. Contextualiteit in door verstrengeling ondersteunde eenmalige klassieke communicatie. arXiv:2006.00469, 2020. doi:10.48550/โ€‹arXiv.2006.00469.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.2006.00469
arXiv: 2006.00469

[9] Mรกtรฉ Farkas, Maria Balanzรณ-Juandรณ, Karol ลukanowski, Jan Koล‚odyล„ski en Antonio Acรญn. Bell-non-lokaliteit is niet voldoende voor de beveiliging van standaard apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributieprotocollen. Fysiek. Rev. Lett., 127:050503, 2021. doi:10.1103/PhysRevLett.127.050503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.050503

[10] John Preskill. Quantum Computing in het NISQ-tijdperk en daarna. Quantum, 2:79, 2018. doi: 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-06-79

[11] Frank Arute, Kunal Arya, Ryan Babbush, Dave Bacon, Joseph C Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, et al. Quantum suprematie met behulp van een programmeerbare supergeleidende processor. Natuur, 574(7779):505โ€“510, 2019. doi:10.1038/โ€‹s41586-019-1666-5.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1038/โ€‹s41586-019-1666-5

[12] Simon Kochen en Ernst P Specker. Het probleem van verborgen variabelen in de kwantummechanica. J. Math. Mech., 17(1):59โ€“87, 1967. doi:10.1512/iumj.1968.17.17004.
https: / / doi.org/ 10.1512 / iumj.1968.17.17004

[13] Juan Bermejo-Vega, Nicolas Delfosse, Dan E Browne, Cihan Okay en Robert Raussendorf. Contextualiteit als hulpmiddel voor modellen van kwantumberekening met qubits. Fysiek. Rev. Lett., 119:120505, 2017. doi:10.1103/PhysRevLett.119.120505.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.120505

[14] Jan Bel. Over de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox. Natuurkunde, 1(RX-1376):195โ€“200, 1964. doi:10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[15] John S Bell. Over het probleem van verborgen variabelen in de kwantummechanica. Ds. Mod. Phys., 38:447โ€“452, 1966. doi:10.1103/โ€‹RevModPhys.38.447.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.38.447

[16] Andrew M Gleason. Maatregelen op de gesloten deelruimten van een Hilbertruimte. Universiteit van Indiana. Wiskunde. J, 6:885, 1957. doi:10.1512/โ€‹iumj.1957.6.56050.
https: / / doi.org/ 10.1512 / iumj.1957.6.56050

[17] Robert W Spekkens. Quasi-kwantisering: klassieke statistische theorieรซn met een epistemische beperking, pagina's 83โ€“135. Springer Nederland, Dordrecht, 2016. doi:10.1007/โ€‹978-94-017-7303-4_4.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-94-017-7303-4_4

[18] Ravi Kunjwal en Robert W Spekkens. Van de stelling van Kochen-Specker tot ongelijkheden zonder context zonder uit te gaan van determinisme. Fysiek. Rev. Lett., 115:110403, 2015. doi:10.1103/PhysRevLett.115.110403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.110403

[19] Ravi Kunjwal en Robert W Spekkens. Van statistische bewijzen van de stelling van Kochen-Specker tot ruis-robuuste non-contextualiteit ongelijkheden. Fysiek. A, 97:052110, 2018. doi:10.1103/PhysRevA.97.052110.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.97.052110

[20] Alexander A Klyachko, M Ali Can, Sinem BinicioฤŸlu en Alexander S Shumovsky. Eenvoudige test voor verborgen variabelen in Spin-1-systemen. Fysiek. Rev. Lett., 101:020403, 2008. doi:10.1103/PhysRevLett.101.020403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.020403

[21] Robert W Spekkens. Contextualiteit voor voorbereidingen, transformaties en onscherpe metingen. Fysiek. A, 71:052108, 2005. doi:10.1103/PhysRevA.71.052108.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.71.052108

[22] Ravi Kunjwal en Sibasish Ghosh. Minimaal toestandsafhankelijk bewijs van meetcontextualiteit voor een qubit. Fysiek. A, 89:042118, 2014. doi:10.1103/PhysRevA.89.042118.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.042118

[23] Ravi Kunjwal. Contextualiteit voorbij de stelling van Kochen-Specker. arXiv:1612.07250, 2016. doi:10.48550/โ€‹arXiv.1612.07250.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.1612.07250
arXiv: 1612.07250

[24] Paul Busch. Kwantumstaten en gegeneraliseerde waarneembaarheden: een eenvoudig bewijs van de stelling van Gleason. Fys. Rev. Lett., 91:120403, 2003. doi:10.1103/โ€‹physrevlett.91.120403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.91.120403

[25] Carlton M Caves, Christopher A Fuchs, Kiran K Manne en Joseph M Renes. Afleidingen van het Gleason-type van de kwantumwaarschijnlijkheidsregel voor gegeneraliseerde metingen. Gevonden. Phys., 34:193โ€“209, 2004. doi:10.1023/โ€‹b:foop.0000019581.00318.a5.
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1023/โ€‹b:foop.0000019581.00318.a5

[26] Victoria J Wright en Stefan Weigert. Een stelling van het Gleason-type voor qubits op basis van mengsels van projectieve metingen. J. Fys. A, 52:055301, 2019. doi:10.1088/โ€‹1751-8121/โ€‹aaf93d.
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1751-8121/โ€‹aaf93d

[27] NolanR Wallach. Een onverstrengelde stelling van Gleason. Contemp Math, 305:291โ€“298, 2002. doi:10.1090/โ€‹conm/โ€‹305/โ€‹05226.
https: / / doi.org/ 10.1090 / conm / 305 / 05226

[28] Charles H Bennett, David P DiVincenzo, Christopher A Fuchs, Tal Mor, Eric Rains, Peter W Shor, John A Smolin en William K Wootters. Quantum non-lokaliteit zonder verstrengeling. Fysiek. Rev. A, 59:1070โ€“1091, 1999. doi:10.1103/PhysRevA.59.1070.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.59.1070

[29] David N Mermin. Verborgen variabelen en de twee stellingen van John Bell. Ds. Mod. Phys., 65:803โ€“815, 1993. doi:10.1103/โ€‹RevModPhys.65.803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.65.803

[30] Asher Peres. Twee eenvoudige bewijzen van de stelling van Kochen-Specker. J. Fysiek. A, 24(4):L175, 1991. doi:10.1088/โ€‹0305-4470/โ€‹24/โ€‹4/โ€‹003.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹0305-4470/โ€‹24/โ€‹4/โ€‹003

[31] Asher Peres. Incompatibele resultaten van kwantummetingen. Fysiek. Lett. A, 151(3-4):107โ€“108, 1990. doi:10.1016/โ€‹0375-9601(90)90172-K.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1016/โ€‹0375-9601(90)90172-K

[32] Antonio Acรญn, Tobias Fritz, Anthony Leverrier en Ana Belรฉn Sainz. Een combinatorische benadering van non-lokaliteit en contextualiteit. gemeenschappelijk. Wiskunde. Phys., 334(2):533โ€“628, 2015. doi:10.1007/โ€‹s00220-014-2260-1.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹s00220-014-2260-1

[33] Ravi Kunjwal. Voorbij het Cabello-Severini-Winter-raamwerk: contextualiteit begrijpen zonder scherpte van metingen. Quantum, 3:184, 2019. doi:10.22331/โ€‹q-2019-09-09-184.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2019-09-09-184

[34] Ravi Kunjwal. Hypergraph-raamwerk voor onherleidbare ongelijkheden in niet-contextualiteit van logische bewijzen van de stelling van Kochen-Specker. Quantum, 4:219, 2020. doi:10.22331/โ€‹q-2020-01-10-219.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2020-01-10-219

[35] Ehud Hrushovski en Itamar Pitowsky. Generalisaties van de stelling van Kochen en Specker en de effectiviteit van de stelling van Gleason. Studies in geschiedenis en wetenschapsfilosofie Deel B: Studies in geschiedenis en filosofie van de moderne natuurkunde, 35(2):177โ€“194, 2004. doi:10.1016/j.shpsb.2003.10.002.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.shpsb.2003.10.002

[36] Lin Chen en Dragomir Z Djokovic. Orthogonale productbases van vier qubits. J. Fysiek. A, 50(39):395301, 2017. doi:10.1088/โ€‹1751-8121/โ€‹aa8546.
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1751-8121 / aa8546

[37] Matthew S Leifer. Is de kwantumtoestand echt? Een uitgebreid overzicht van $psi$-ontologiestellingen. Quanta, 3(1):67โ€“155, 2014. doi:10.12743/quanta.v3i1.22.
https: / / doi.org/ 10.12743 / quanta.v3i1.22

[38] Matthew S. Leifer en Owen JE Maroney. Maximaal epistemische interpretaties van de kwantumtoestand en contextualiteit. Fysiek. Rev. Lett., 110:120401, 2013. doi:10.1103/PhysRevLett.110.120401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.120401

[39] Ravi Kunjwal. De stelling van Fine, niet-contextualiteit en correlaties in het scenario van Specker. Fysiek. A, 91:022108, 2015. doi:10.1103/PhysRevA.91.022108.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.91.022108

[40] Tomรกลก Gonda, Ravi Kunjwal, David Schmid, Elie Wolfe en Ana Belรฉn Sainz. Bijna kwantumcorrelaties zijn niet in overeenstemming met het principe van Specker. 2:87. doi:10.22331/โ€‹q-2018-08-27-87.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.22331/โ€‹q-2018-08-27-87

[41] Arthur Fijn. Verborgen variabelen, gezamenlijke waarschijnlijkheid en de Bell-ongelijkheden. Fysiek. Rev. Lett., 48:291โ€“295, 1982. doi:10.1103/physrevlett.48.291.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.48.291

[42] Arthur Fijn. Gezamenlijke distributies, kwantumcorrelaties en waarnemingen van woon-werkverkeer. J. Math. Phys., 23(7):1306โ€“1310, 1982. doi:10.1063/โ€‹1.525514.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.525514

[43] Samson Abramsky en Adam Brandenburger. De bundeltheoretische structuur van non-lokaliteit en contextualiteit. Nieuwe J. Phys., 13(11):113036, 2011. doi:10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹13/โ€‹11/โ€‹113036.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1088/โ€‹1367-2630/โ€‹13/โ€‹11/โ€‹113036

[44] Rafael Chaves en Tobias Fritz. Entropische benadering van lokaal realisme en niet-contextualiteit. Fysiek. A, 85:032113, 2012. doi:10.1103/PhysRevA.85.032113.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.032113

[45] Remigiusz Augusiak, Tobias Fritz, Ma Kotowski, Mi Kotowski, Marcin Pawล‚owski, Maciej Lewenstein en Antonio Acรญn. Strakke Bell-ongelijkheden zonder kwantumschending door niet-uitbreidbare productbases van qubit. Fysiek. Rev. A, 85(4):042113, 2012. doi:10.1103/physreva.85.042113.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physreva.85.042113

[46] Victoria J. Wright en Ravi Kunjwal. Peres inbedden. GitHub-repository, 2021. URL: https://โ€‹/โ€‹github.com/โ€‹vickyjwright/โ€‹embeddingperes.
https://github.com/vickyjwright/embeddingperes

[47] Daniel McNulty, Bogdan Pammer en Stefan Weigert. Wederzijds onbevooroordeelde productbases voor meerdere qudits. J. Math. Phys., 57(3):032202, 2016. doi:10.1063/โ€‹1.4943301.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4943301

[48] David Schmid, Haoxing Du, John H. Selby en Matthew F. Pusey. Het enige niet-contextuele model van de subtheorie van de stabilisator is die van Gross. Fysiek. Rev. Lett., 129:120403, 2021 doi:10.1103/PhysRevLett.129.120403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.120403

[49] Daniรซl Gottesman. De Heisenberg-weergave van kwantumcomputers. In Group22: Proceedings of the XXII International Colloquium on Group Theoretical Methods in Physics, pagina's 32-43. Cambridge, MA, International Press, 1998. doi:10.48550/โ€‹arXiv.quant-ph/โ€‹9807006.
https://โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.48550/โ€‹arXiv.quant-ph/โ€‹9807006
arXiv: quant-ph / 9807006

[50] Scott Aaronson en Daniรซl Gottesman. Verbeterde simulatie van stabilisatorcircuits. Fysiek. A, 70:052328, 2004. doi:10.1103/PhysRevA.70.052328.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.052328

[51] Adรกn Cabello, Simone Severini en Andreas Winter. Grafentheoretische benadering van kwantumcorrelaties. Fysiek. Rev. Lett., 112:040401, 2014. doi:10.1103/PhysRevLett.112.040401.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.040401

[52] Reinhard F. Werner. Kwantumtoestanden met Einstein-Podolsky-Rosen-correlaties die een model met verborgen variabelen toelaten. Fysiek. A, 40:4277โ€“4281, 1989. doi:10.1103/PhysRevA.40.4277.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.40.4277

[53] Michael Roodharige. Onvolledigheid, non-lokaliteit en realisme: een voorloper van de filosofie van de kwantummechanica. Oxford Universitaire Pers, 1987.

[54] Tobias Fritz, Ana Belรฉn Sainz, Remigiusz Augusiak, J Bohr Brask, Rafael Chaves, Anthony Leverrier en Antonio Acรญn. Lokale orthogonaliteit als een meerdelig principe voor kwantumcorrelaties. Natuurcommunicatie, 4(1):1โ€“7, 2013. doi:10.1038/ncomms3263.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3263

[55] Julien Degorre, Marc Kaplan, Sophie Laplante en Jรฉrรฉmie Roland. De communicatiecomplexiteit van niet-signalerende distributies. In Mathematical Foundations of Computer Science 2009, pagina's 270-281, Berlijn, Heidelberg, 2009. Springer Berlin Heidelberg. doi:10.1007/โ€‹978-3-642-03816-7_24.
https:/โ€‹/โ€‹doi.org/โ€‹10.1007/โ€‹978-3-642-03816-7_24

Geciteerd door

[1] Ravi Kunjwal en ร„min Baumeler, "Trading causale orde voor plaats", arXiv: 2202.00440.

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-01-20 13:15:18). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2023-01-20 13:15:16).

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal