För första gången har teoretiska fysiker från Institute of Theoretical Physics (IPhT) i Paris-Saclay helt fastställt den statistik som kan genereras av ett system som använder kvantsammanflätning. Denna prestation banar väg för uttömmande testförfaranden för kvantapparater.
Studien publiceras i tidskriften Nature Physics.
Efter tillkomsten av transistorer, lasrar och atomklockor är sammanflätningen av kvantobjekt – så olika som fotoner, elektroner och supraledande kretsar – kärnan i en andra kvantrevolution, med kvantkommunikation och kvantdatorer i sikte.
Vad är det som händer? Två objekt som förberetts tillsammans i ett kvanttillstånd – t.ex. två horisontellt eller vertikalt polariserade fotoner – behåller minnet av sitt gemensamma ursprung, även om de flyttas långt ifrån varandra. När kvanttillståndet hos de två sammanflätade objekten mäts – deras polarisation i det föreslagna exemplet – observeras en tydlig korrelation mellan mätresultaten.
Mätning som följer kvantstatistik
Vad beror denna korrelation på? För det första kan graden av sammanflätning mellan de två objekten variera beroende på vilken typ av källa de sammanflätade kvantobjekten kommer ifrån – i exemplet kan horisontellt polariserade fotoner produceras oftare än vertikalt polariserade. Då måste man göra ett mätval – till exempel välja en riktning att mäta polarisationen i – vilket kan påverka resultatet.
För att kunna skapa meningsfulla kvantkorrelationer är det helt nödvändigt att varje objekt kan mätas med minst två olika mätningar, som var och en ger minst två potentiella resultat.
I det enklaste experimentet som avslöjar omfattningen av kvantsammanflätning kan fem parametrar således påverka mätstatistiken: graden av sammanflätning mellan objekten och de två riktningar i vilka båda apparaterna utför sina mätningar. Generellt sett tillåter dock kvantfysiken invecklade system med många frihetsgrader, vilket leder till en mängd olika korrelationer.
Att utvinna kunskap ur en svart låda
Kvantkorrelationer har anmärkningsvärda egenskaper, framför allt deras förmåga att klara ett Bell-test. När detta sker är resultaten av ett kvantexperiment ”icke-lokala” i den meningen att de inte kan förklaras med hjälp av lokala modeller med dolda variabler, som fångar vår intuitiva förståelse av korrelationer. Den experimentella demonstrationen av denna slående egenskap hyllades av Nobelpriset i fysik som 2022 tilldelades Alain Aspect, John F. Clauser och Anton Zeilinger. Men kvantkorrelationer har mer än ett trick i rockärmen.
Det visar sig att fysiska attribut ofta kan uppskattas direkt från den statistik som erhålls vid mätning av ett sammanflätat kvanttillstånd. Till exempel kan observerade korrelationer intyga att de observerade mätresultaten är slumpmässiga. Viktigt att notera är att denna slutsats kan dras enbart utifrån mätresultaten, utan något antagande om beteendet hos de aktuella kvantapparaterna, som betraktas som ”svarta lådor”. I slutändan har viss kvantstatistik den egenskapen att den helt identifierar den fysiska modell som beskriver de sammanflätade objekten.
Avslöjar omfattningen av kvantkorrelationer
Denna fantastiska egenskap, som kallas ”självtestning”, spelar en avgörande roll i enhetsoberoende kvantinformationsprotokoll. Eftersom dessa protokoll inte bygger på några antaganden om att källan och mätutrustningen fungerar som de ska, erbjuder de en oöverträffad tillförlitlighet. Hittills har flera självtestande resultat erhållits. Det är t.ex. känt att alla qubittillstånd kan självtestas, även om alla möjliga självtester ännu inte är kända. Faktum är att endast självtester som motsvarar maximalt sammanflätade tillstånd hos två qubits har karakteriserats fullt ut.
De teoretiska fysikerna Victor Barizien och Jean-Daniel Bancal vid IPhT har nu visat att det också är möjligt att exakt och fullständigt beskriva den statistik som erhålls vid mätning av delvis sammanflätade objekt.
”Idén, som är söt men svår att förklara, var att beskriva statistiken från partiellt sammanflätade tillstånd med hjälp av vad vi förstår av maximalt sammanflätade tillstånd. Vi hittade en matematisk omvandling som möjliggör en fruktbar fysisk tolkning”, säger forskarna.
Genom att identifiera alla korrelationer som kan självtesta delvis sammanflätade två-qubit-tillstånd fick man i sin tur en fullständig beskrivning av kvantstatistiken.
Betydande räckvidd, både grundläggande och tillämpad
Att ha en fullständig kunskap om den kvantstatistik som kan uppnås när sammanflätning är inblandad har stora konsekvenser. Å ena sidan identifierar den gränserna för själva kvantteorin. På så sätt begränsas omfattningen av de experimentella resultat som man kan förvänta sig att observera förutsatt att naturen följer kvantfysikens regler. Å andra sidan erbjuder den exceptionellt effektiva testprocedurer, som kan tillämpas på alla typer av sammanflätade objekt och mätningar, och därmed på många olika typer av system.
I synnerhet kan säkerheten hos apparater som använder kvantsammanflätning förbättras genom tester som baseras på resultaten av observationer som görs i varje ögonblick, snarare än på apparaternas fysiska egenskaper, som sannolikt kommer att utvecklas över tiden. Mer allmänt ligger vägen öppen för nya protokoll för kvanttestning, kommunikation, kryptografi och beräkning.
För mer information: Victor Barizien et al, Quantum statistics in the minimal Bell scenario, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02782-3. På arXiv: arxiv.org/abs/2406.09350