Contextualidade em sistemas compostos: o papel do emaranhamento no teorema de Kochen-Specker

Contextualidade em sistemas compostos: o papel do emaranhamento no teorema de Kochen-Specker

Victoria J Wright1 e Ravi Kunjwal2

1ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, ​​08860 Castelldefels, Espanha
2Centro de Informação e Comunicação Quântica, Ecole polytechnique de Bruxelles, CP 165, Université libre de Bruxelles, 1050 Bruxelas, Bélgica

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Sumário

O teorema de Kochen-Specker (KS) revela a não classicidade de sistemas quânticos únicos. Em contraste, o teorema e o emaranhamento de Bell dizem respeito à não classicidade dos sistemas quânticos compostos. Consequentemente, ao contrário da incompatibilidade, o emaranhamento e a não localidade de Bell não são necessários para demonstrar a contextualidade KS. No entanto, aqui descobrimos que, para sistemas multiqubit, emaranhamento e não localidade são essenciais para as provas do teorema de Kochen-Specker. Em primeiro lugar, mostramos que medições não emaranhadas (um superconjunto estrito de medições locais) nunca podem fornecer uma prova lógica (independente do estado) do teorema KS para sistemas multiqubit. Em particular, medições não emaranhadas, mas não locais – cujos autoestados exibem “não-localidade sem emaranhamento” – são insuficientes para tais provas. Isso também implica que provar o teorema de Gleason em um sistema multiqubit requer necessariamente projeções emaranhadas, como mostrado por Wallach [Contemp Math, 305: 291-298 (2002)]. Em segundo lugar, mostramos que um estado multiqubit admite uma prova estatística (dependente do estado) do teorema KS se e somente se ele pode violar uma desigualdade de Bell com medidas projetivas. Também estabelecemos a relação entre emaranhamento e os teoremas de Kochen–Specker e Gleason de forma mais geral em sistemas multiqudit construindo novos exemplos de conjuntos KS. Por fim, discutimos como nossos resultados lançam uma nova luz sobre o papel da contextualidade multiqubit como um recurso dentro do paradigma da computação quântica com injeção de estado.

[Conteúdo incorporado]

Sistemas físicos muito pequenos, como fótons de luz, se comportam de maneira que contradizem as teorias dos cientistas da física usadas antes do advento da teoria quântica. A teoria quântica foi desenvolvida para descrever esses sistemas muito pequenos e o faz com muito sucesso. Em termos gerais, as teorias anteriores à teoria quântica, muitas vezes chamadas de teorias clássicas, são todas não contextuais. Uma teoria é não contextual se toda propriedade observável de um sistema, como sua posição, pode ser assumida como tendo um valor definido em todos os momentos, de modo que quando e como essa propriedade for medida, será encontrado esse valor. O teorema de Kochen-Specker demonstra como as previsões da teoria quântica não podem ser explicadas de maneira não contextual.

A teoria quântica também tem outras diferenças importantes em relação às teorias clássicas, com dois exemplos proeminentes sendo a não localidade de Bell e o emaranhamento. Ao contrário da contextualidade de Kochen-Specker descrita acima, que envolve um único sistema quântico, a não localidade e o emaranhamento de Bell são propriedades presentes apenas quando estudamos vários sistemas quânticos juntos. Neste trabalho, no entanto, mostramos que para sistemas de múltiplos qubits (como em um computador quântico) tanto a não-localidade de Bell quanto o emaranhamento são essenciais para a presença da contextualidade de Kochen-Specker.

Além da relevância para os fundamentos da física, discutimos como nossas descobertas podem levar a uma melhor compreensão da vantagem quântica na computação quântica. A vantagem quântica deve derivar das diferenças entre a física quântica e clássica que descreve os computadores quânticos e clássicos, respectivamente. Portanto, entender a não classicidade dos sistemas multiqubit que estudamos apresenta um caminho para aproveitar o poder da vantagem quântica.

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Citado por

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As citações acima são de SAO / NASA ADS (última atualização com êxito 2023-01-20 13:15:18). A lista pode estar incompleta, pois nem todos os editores fornecem dados de citação adequados e completos.

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