W niedawno opublikowanej pracy pt „Measuring Concurrence in Qubit Werner States Without an Aligned Reference Frame”, Phys. Rev. Applied 16, 054042 (2021) Kateřina Jiráková, Artur Barasiński, Antonín Černoch, Karel Lemr i Jan Soubusta proponują metodę, która pozwala na ilościowe określenie stopnia splątania stany kwantowego z wykorzystaniem losowych i nieznanych baz pomiarowych.

Oto jak Autorzy objaśniają swoją pracę:

Bezpieczna i niezawodna wymiana informacji ma ogromne znaczenie na całym świecie. Dlatego praktyczna implementacja protokołów kwantowej komunikacji poza laboratorium naukowym stała się jednym z głównych obszarów zainteresowania naukowców w ostatnich latach. Oczywiście taki postęp w metodach komunikacji kwantowej wymaga przeprowadzania pomiarów kwantowych w niestabilnym środowisku, w którym trudno jest spełnić surowe wymagania dotyczące synchronizacji i kalibracji zdalnych urządzeń. Przykładowo, eksperymenty dotyczące komunikacji kwantowej na duże odległości lub kwantowej komunikacji satelitarnej zwykle opierają się na kwantowych urządzeniach optycznych, w których kubity są kodowane jako stany polaryzacji światła. To jednak wymaga, aby nadawać i odbiorca dysponowali wspólnym układem odniesienia, co pozwoli prawidłowo dostroić urządzenia pomiarowe. Ponadto, taki układ musi być utrzymywany w sposób stabilny przez cały eksperyment lub komunikację. Choć utrzymanie wspólnego układu odniesienia wydaje się trywialnym założeniem, gdy ogranicza się do laboratorium, z eksperymentalnego punktu widzenia wymóg ten zawsze pociąga za sobą szereg trudności technicznych. Z tego powodu, obecne eksperymenty dotyczące satelitarnej komunikacji kwantowej jednoznacznie wskazały konieczność ponownej oceny słuszności takiego założenia.

Rys.1 Aparatura pomiarowa: PBS – polaryzacyjny dzielnik wiązki, BD – dzielnik wiązki, PC – kontroler polaryzacji, β=BBO – nieliniowy kryształ β=BBO, D – detektor, HWP – płyta półfalowa, QWP – ćwierćfalówka.

W pracy „Measuring Concurrence in Qubit Werner States Without an Aligned Reference Frame”, Phys. Rev. Applied 16, 054042 (2021) proponujemy metodę, która pozwala na ilościowe określenie stopnia splątania stany kwantowego z wykorzystaniem losowych i nieznanych baz pomiarowych. Dysponując taką informacją, jesteśmy w stanie ocenić wydajność procesu komunikacji kwantowej, a tym samym prawidłowo dobrać protokół komunikacji kwantowej adekwatny do panujących warunków eksperymentalnych.

Proponowana metoda opiera się na szacowaniu prawdopodobieństwa łamania lokalnego realizmu (ang. nonlocal fraction) w wyniku pomiarów przeprowadzanych na oddalonych od siebie podukładach dla losowo wybranych (jednorodnie) lokalnych obserwabli (ustawień). Uzyskane przez nas wyniki teoretyczne zostały zweryfikowane eksperymentalnie. W tym celu skonstruowaliśmy układ pomiarowy przedstawiony na rys. 1, realizowany na platformie optyki liniowej, gdzie kubity kodowane są jako stany przestrzenne i polaryzacyjne pojedynczych fotonów. Uzyskane wyniki w pełni potwierdzają zgodność z przewidywaniami teoretycznymi (rys. 2). Tym samym, nasz wynik pokazuje, że wbrew intuicji, pomiary w losowych i nieznanych bazach mogą być wykorzystane do ustalenia, jak bardzo splątany jest stan kwantowy.

Rys 2. (a) Zależność prawdopodobieństwa łamania lokalnego realizmu od = ( widzialności1=ilość szumu) oraz (b) związek między stopniem splątania a prawdopodobieństwem łamania lokalnego realizmu dla trójkubitowych stanów typu Wernera. Na obu panelach symbole oznaczają pomiary eksperymentalne dla dwóch różnych stanów typu Wernera oznaczanych jako θ = 35 ◦ (trójkąty) i θ = 45 ◦ (kwadraty), natomiast krzywe przedstawiają przewidywania teoretyczne.

Dodała: Joanna Molenda-Żakowicz

Pełnomocnik Dziekana ds promocji wydziału i kontaktów z mediami