Bunden sammanflätning med fyra-kvantbitar

Kvantsammanflätning
Kvantsammanflätning eller kvantkorrelationer är en gåtfull egenskap som kan påvisas inom kvantfysiken. Sammanflätning är nödvändig för vissa tillämpningar som kvantteleportering, kvantkryptering och kvantdatorer. Forskarna vid fysikum är först med att demonstrera bunden sammanflätning vilket är en underlig form av sammanflätning. Sammanflätningsegenskaperna har påvisats genom att bryta en Bell olikhet, och med metoden som kallas “sammanflätningsvittnen”. Dessutom demonstreras ett kvantdestillationsprotokoll där två av parterna kan destillera fram ett singlettillstånd till de två återstående. De speciella egenskaperna hos detta bundna sammanflätade tillstånd gör att det kommer att ha stort betydelse inom det nya forskningsområdet kvantinformation. Resultaten kommer också att bidra till en fördjupad förståelse av grunderna i kvantmekanik.

Artistisk tolkning av det bundet sammanflätade kvant tillståndet som skapades experimentellt.
Figur 1.Artistisk tolkning av det bundet sammanflätade kvant tillståndet som skapades experimentellt. Sfärerna representerar fotonerna och spiralerna sammanflätningen som beror på hur man ser på kvant-tillståndet.
Kvantmekaniken är den mest framgångsrika fysikaliska teorin någonsin. Den har besynnerliga egenskaper, såsom superpositionsprincipen och sammanflätning. Dess förutsägelser har verifierats i ett flertal experiment och ligger till grund för de flesta moderna teknologier. Trots detta har teorin aspekter (fullständighet, lokalitet och realism) som även bekymrade Albert Einstein under hans livstid. Kvantsammanflätning eller kvantkorrelation (på engelska entanglement) är en besynnerlig och gåtfull egenskap som kan påvisas inom kvantfysiken. Egenskapen innebär att om två eller fler kvantsystem (fotoner, atomer, etc) är sammanflätade så existerar korrelationer mellan vitt separerade system som är starkare än vad klassisk fysik tillåter.

År 1964 härledde John Bell en olikhet som visade att korrelationen mellan två partiklar med ursprung i en ett spinhalv singlet strider mot alla modeller med så kallad “lokal realism”. Det första experimentella testet utfördes av Alain Aspect 1981. Sedan dess har många experiment med separerade partiklar bekräftat kvantmekanikens förutsägelser. Trots detta är alla kryphål för ett helt vattentätt Bell experiment inte igentäppta.

Bunden sammanflätning

Experimentell uppställning.
Figur 2: Experimentell uppställning. Schematisk skiss och foto av nedkonverteringsdel.

Sammanflätning är nödvändig för många tillämpningar inom kvantinformation såsom kvantteleportering, kvantgrindar till kvantdatorer och flera kvantkrypteringsprotokoll. Av detta skäl har man börjat räkna sammanflätning som en fysisk resurs. Men, på grund av de oundvikliga interaktionerna med omgivningen kommer brus in i kvantsammanflätningen vilket stör informationsprocessen (beräkning eller kommunikation). En viktig och avgörande fråga är vilka brusiga kvanttillstånd som kan destilleras till maximalt sammanflätade tillstånd med hjälp av lokala operationer och klassisk kommunikation så att de åter blir användbara för ytterligare informationsprocesser. År 1996 gjorde Horodecki en viktig teoretisk upptäckt av en klass av underliga sammanflätade tillstånd som inte går att destillera. Denna nya sammanflätningsklass går nu under namnet bunden sammanflätning (på engelska bound entanglement).

Första experimentella resultaten.
Elias Amselem (doktorand i fysik) och Docent Mohamed Bourennane (rådsforskare) är först med att demonstrera ett bundet sammanflätat kvanttillstånd, det så kallade Smolin tillståndet, med hög kvalitét av fyra kvantbitar. Genom att använda kvant-tillstånds tomografi har de fullständigt rekonstruerat densitetsmatrisen, se illustration 3.

Rekonstruktion av densitetsmatrisen för bunden sammanflätning genom kvant-tomografi.
Figur 3. Rekonstruktion av densitetsmatrisen för bunden sammanflätning genom kvant-tomografi. Till vänster illustrerad i horisontellt och vertikalt polariserad bas, i Mitten i Bell basen, och till höger då en av de fyra kvant-bitarna inte längre är tillgänglig.

För att visa alla sammanflätnings egenskaperna i detta tillstånd har man brutit mot en Bell olikhet och använt metoden av sammanflätningsvittnen. De har dessutom demonstrerat ett destillations protokoll, se illustration 4, där två av parterna kan destillera fram ett singlet tillstånd till de två återstående. Dessa speciella egenskaper hos detta bundna sammanflätade tillstånd utgör användbara resurser för nya kvantkommunikations scheman med flera parter, så som hemlighetsdelning, reduktion av kommunikations-komplexitet och avlägsen informationskoncentration. Resultaten rapporterade i tidskriften kommer att bidra till en fördjupad förståelse av grunderna i kvantmekanik.

Destillationsprotokollet som användes för att vissa att om två parter av de fyra möts kan de destillera fram en singlet till de två återstående
Figur 4. Destillationsprotokollet som användes för att vissa att om två parter av de fyra möts kan de destillera fram en singlet till de två återstående.

Originalpublikationer och pressmeddelanden.
Experimental four-qubit bound entanglement. Elias Amselem and Mohamed Bourennane, Nature Physics, volume 5 No 10, pp 748-752, October (2009).

Se också News and Views om vårt arbete med professor Antonio Acin Entanglement: Entangled and bound Antonio Acin Nature Physics, volume 5 No 10, pp 711-712, October (2009).

Pressmeddelande från Stockholms unviersitet 9 november 2009.

– Mohamed Bourennane (boure@fysik.su.se) och Elias Amselem (amselem@fysik.su.se)

Denna forskning är en del av Linné centrum för avancerad optik och fotonik och har stötts av Vetenskapsrådet.

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *