การวัดที่อ่อนแอทำให้นักฟิสิกส์ควอนตัมกินเค้กและกินมัน - โลกฟิสิกส์

เมื่อเปรียบเทียบกับการเขียนนิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับสถานะควอนตัมที่พันกันบนแผ่นกระดาษ การสร้างความยุ่งเหยิงอย่างแท้จริงถือเป็นงานที่ยุ่งยาก ในห้องปฏิบัติการ นักฟิสิกส์สามารถอ้างได้เพียงว่าสถานะควอนตัมที่เตรียมไว้นั้นพัวพันหลังจากที่ผ่านการทดสอบการตรวจสอบความพัวพันแล้ว และกลยุทธ์การทดสอบแบบเดิมๆ ทั้งหมดมีข้อเสียเปรียบที่สำคัญ กล่าวคือ จะทำลายสิ่งพัวพันในกระบวนการรับรอง ซึ่งหมายความว่า หลังการรับรอง ผู้ทดลองจะต้องเตรียมระบบในสถานะเดิมอีกครั้งหากต้องการใช้งาน แต่ถือว่าพวกเขาไว้วางใจแหล่งที่มาของตนในการสร้างสถานะเดียวกันในแต่ละครั้งได้อย่างน่าเชื่อถือ

ในการศึกษาใหม่ นักฟิสิกส์นำโดยคิมฮยอนจิน จากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งเกาหลี (KAIST) ค้นพบวิธีหลีกเลี่ยงสมมติฐานความไว้วางใจนี้ พวกเขาทำเช่นนี้โดยการปรับปรุงกลยุทธ์การรับรองสิ่งกีดขวาง (EC) แบบเดิมในลักษณะที่ขัดขวางการทำลายสิ่งกีดขวางในช่วงแรกโดยสิ้นเชิง ทำให้สามารถกู้คืนได้ (แม้ว่าจะมีความน่าจะเป็น < 1) พร้อมกับการรับรองก็ตาม

รัฐลึกลับที่มีคำจำกัดความที่ชัดเจน

ความพัวพันนั้นลึกลับพอๆ กับที่ทำให้เกิดเสียง แต่ก็มีคำจำกัดความที่แม่นยำมากในกลศาสตร์ควอนตัม ตามทฤษฎีควอนตัม ระบบคอมโพสิต (นั่นคือ ระบบตั้งแต่สองระบบขึ้นไปที่ถือเป็นหน่วยร่วม) สามารถแยกออกจากกันหรือพันกันก็ได้ ในระบบที่แยกออกจากกัน ดังที่ชื่ออาจแนะนำ แต่ละระบบย่อยสามารถถูกกำหนดสถานะที่เป็นอิสระได้ อย่างไรก็ตาม ในระบบที่พันกัน สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้เนื่องจากระบบย่อยไม่สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นอิสระ ดังสุภาษิตที่ว่า "ส่วนรวมยิ่งใหญ่กว่าส่วนต่างๆ" ความพัวพันมีบทบาทสำคัญในหลายสาขา รวมถึงการสื่อสารควอนตัม การคำนวณควอนตัม และการสาธิตว่าทฤษฎีควอนตัมแตกต่างจากทฤษฎีคลาสสิกอย่างไร ความสามารถในการตรวจสอบจึงมีความจำเป็น

ในงานล่าสุดที่พวกเขาอธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า, Kim และเพื่อนร่วมงานศึกษาการทดสอบ EC ที่เกี่ยวข้องกับคิวบิตหลายตัว ซึ่งเป็นระบบควอนตัมที่ง่ายที่สุดที่เป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้ว มีกลยุทธ์ EC อยู่ XNUMX ประการ วิธีแรกเรียกว่าการเป็นพยาน ใช้กับสถานการณ์ทดลองที่อุปกรณ์สองเครื่อง (หรือมากกว่า) ที่ทำการวัดในแต่ละระบบย่อยได้รับความเชื่อถือโดยสมบูรณ์ ประการที่สอง เรียกว่าการบังคับเลี้ยว อุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งได้รับความไว้วางใจอย่างสมบูรณ์ แต่อีกตัวหนึ่งไม่น่าเชื่อถือ กลยุทธ์ที่สาม เรียกว่า Bell nonlocality ใช้เมื่อไม่มีอุปกรณ์ใดที่เชื่อถือได้ สำหรับแต่ละกลยุทธ์เหล่านี้ เราสามารถได้รับความไม่เท่าเทียมกันซึ่งหากถูกละเมิดจะรับรองการพัวพัน

การวัดที่อ่อนแอคือกุญแจสำคัญ

Kim และเพื่อนร่วมงานปรับกลยุทธ์เหล่านี้ใหม่ในลักษณะที่ช่วยให้พวกเขาสามารถกู้คืนการรับรองหลังการพัวพันแบบเดิมได้ กุญแจสู่ความสำเร็จคือกระบวนการที่เรียกว่าการวัดผลแบบอ่อน

ในกลศาสตร์ควอนตัม การวัดคือกระบวนการใดๆ ที่ตรวจสอบระบบควอนตัมเพื่อรับข้อมูล (เป็นตัวเลข) จากระบบนั้น และทฤษฎีจำลองการวัดในสองวิธี: การวัดแบบฉายภาพหรือแบบ "รุนแรง" และการวัดแบบไม่ฉายภาพหรือแบบ "อ่อน" กลยุทธ์ EC แบบทั่วไปใช้การวัดแบบฉายภาพ ซึ่งจะดึงข้อมูลโดยการเปลี่ยนระบบย่อยแต่ละระบบให้เป็นสถานะที่เป็นอิสระ ซึ่งจะทำให้สถานะร่วมของระบบคอมโพสิตแยกออกจากกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ ระบบจะสูญเสียความพัวพันไปโดยสิ้นเชิง ในทางตรงกันข้าม การวัดที่อ่อนแอ จะไม่รบกวนระบบย่อยอย่างรุนแรง ดังนั้นระบบย่อยจึงยังคงพันกัน – แม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายในการดึงข้อมูลน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการวัดแบบฉายภาพก็ตาม

ทีมงานได้แนะนำพารามิเตอร์ควบคุมสำหรับความแข็งแกร่งของการวัดในแต่ละระบบย่อย และรับค่าความไม่เท่าเทียมกันในการรับรองอีกครั้งเพื่อรวมพารามิเตอร์เหล่านี้ จากนั้นพวกเขาจึงเตรียมระบบควอบิตในสถานะที่จะได้รับการรับรองและวัดค่าหน่วยย่อยคงที่ (การวัดค่าที่อ่อนแอ) ของพารามิเตอร์ หลังจากทำซ้ำทั้งหมดแล้ว พวกเขาได้รวบรวมสถิติเพื่อตรวจสอบการละเมิดความไม่เท่าเทียมกันของการรับรอง เมื่อมีการละเมิดเกิดขึ้น ซึ่งหมายความว่าสถานะนั้นพันกัน พวกเขาใช้การวัดจุดอ่อนที่เหมาะสมเพิ่มเติมของจุดแข็งเดียวกันบนระบบย่อยเดียวกันเพื่อกู้คืนสถานะที่พันกันเริ่มต้นด้วยความน่าจะเป็น R (สำหรับ "การพลิกกลับได้")

ยกสมมติฐานความไว้วางใจ

นักฟิสิกส์ยังได้สาธิตข้อเสนอทางทฤษฎีนี้เกี่ยวกับการตั้งค่าโฟโตนิกที่เรียกว่า Sagnac interferometer สำหรับแต่ละกลยุทธ์ในสามกลยุทธ์ พวกเขาใช้การตั้งค่า Sagnac ทั่วไปสำหรับระบบแบ่งฝ่ายที่เข้ารหัสการพัวพันในสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนสองตัว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการแนะนำอุปกรณ์ออพติคอลเชิงเส้นบางตัวเพื่อควบคุมความแรงของการวัดและการตั้งค่าสำหรับการรับรองและการเรียกค้นสถานะเริ่มต้นเพิ่มเติม

ตามที่คาดการณ์ไว้ พวกเขาพบว่าเมื่อความแรงของการวัดเพิ่มขึ้น การพลิกกลับได้ R ลดลงและระดับของความยุ่งเหยิงลดลง ในขณะที่ระดับการรับรอง (การวัดว่าความไม่เท่าเทียมกันในการรับรองถูกละเมิดมากน้อยเพียงใด) สำหรับแต่ละกรณีจะเพิ่มขึ้น นี่แสดงถึงการมีอยู่ของจุดแข็งในการวัด "จุดที่น่าสนใจ" ซึ่งทำให้ระดับการรับรองยังคงค่อนข้างสูงโดยไม่สูญเสียการพันกันมากเกินไป และด้วยเหตุนี้จึงสามารถย้อนกลับได้

เพื่อยกย่องความอ่อนแอ

ในการทดลองในอุดมคติ แหล่งพัวพันจะได้รับความไว้วางใจในการเตรียมสถานะเดียวกันในทุก ๆ การวนซ้ำ และทำลายสิ่งพัวพันเพื่อรับรองว่าจะไม่เป็นพิษเป็นภัย แต่แหล่งที่มาที่สมจริงอาจไม่แสดงสถานะที่พันกันอย่างสมบูรณ์ทุกครั้ง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องกรองสิ่งกีดขวางที่เป็นประโยชน์ออกทันทีหลังจากเตรียมการ ทีมงาน KAIST สาธิตสิ่งนี้โดยการประยุกต์ใช้โครงการกับแหล่งกำเนิดที่มีเสียงดังซึ่งก่อให้เกิดส่วนผสมหลายควิบิตของสถานะที่พันกันและแยกออกจากกันเป็นหน้าที่ของเวลา ด้วยการใช้การวัดแบบอ่อนในขั้นตอนเวลาต่างๆ และตรวจสอบมูลค่าของพยาน ทีมงานจึงรับรองและกู้คืนสิ่งพันกันจากส่วนผสม ยกสมมติฐานความไว้วางใจ และใช้ต่อไปสำหรับการทดลอง Bell nonlocality

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/