Gerateunabhangige Quantentomographie und Zertifizierung

Die Informationswissenschaft hat Schlüsseltechnologien wie den Computer - zur Verarbeitung von Informationen - und das Internet - zur Verbreitung von Informationen - geschaffen, von denen die moderne Gesellschaft sehr profitiert hat. Die Kapazität der Informationswissenschaft ist jedoch im Vergleich zu der heutzutage generierten Informationsmenge immer noch sehr begrenzt. Die Quanteninformationswissenschaft verspricht, die Informationsverarbeitung und - übertragung unter Verwendung der einzigartigen Eigenschaften subatomarer Teilchen zu verbessern. Dazu müssen wir eine Beziehung zwischen diesen Eigenschaften und unserer Zielanwendung erstellen. Dies ähnelt der Art und Weise, wie einzelne Noten und ihre einzigartigen Eigenschaften zu einem Stück zusammengefügt werden, das eine bestimmte Idee oder Geschichte darstellt. Hier ergibt sich die Notwendigkeit, das Verhalten einzelner Quantensysteme sehr gut zu verstehen, insbesondere ohne vorherige und möglicherweise fehlerhafte Kenntnisse. Mein Projekt wird ein solches Werkzeug liefern und zu den Forschungsaktivitäten rund um die geräteunabhängige Tomographie und Zertifizierung beitragen. In der Physik geht es um Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Systemen, was bedeutet, dass Eigenschaften eines Systems nicht unabhängig von anderen existieren können. Wenn ein Experimentator eine Quantentomographie durchführt, bringt er ein unbekanntes System X in Wechselwirkung mit einer Sonde und leitet die Eigenschaften des ersteren anhand der Antwort des letzteren ab. Eine einfache Analogie besteht darin, in der Gleichung X + 1 = 2 nach X aufzulösen, wobei plus die Wechselwirkung, 1 die Sonde und 2 die Antwort darstellt. Es wird angenommen, dass die Eigenschaften der Sonde bekannt sind, und dies ist häufig ein Ergebnis der Quantenmessungstomographie: Eine unbekannte Sonde wird mit einem bekannten System in Wechselwirkung gebracht (tatsächlich wird die Systemsonde in der Quantentomographie ausgetauscht). Es ist dann klar, dass, wenn die Annahmen über die Sonde falsch sind, auch die Schlussfolgerungen über das unbekannte System falsch sind. Man könnte also versuchen, das unbekannte System und die unbekannte Sonde gleichzeitig zu charakterisieren, ähnlich wie beim Auflösen nach X und P in der Gleichung X + P = 2. Bemerkenswerterweise ist eine solche Möglichkeit innerhalb der Quantentheorie möglich und wird als Selbsttest bezeichnet. Das bekannteste Beispiel ist mit einer maximalen Verletzung der CHSH-Ungleichung verbunden: Jede Antwort, die CHSH = 2,828 ergibt, muss einem eindeutigen System und einem Satz von Sonden entsprechen. Mein Projekt wird unser Verständnis der geräteunabhängigen Tomographie und Zertifizierung verbessern, indem es einen Rahmen zum Verständnis des Phänomens des Selbsttests bietet. Vor diesem Hintergrund können wir jeden Datensatz aus einem Quantenexperiment entnehmen und zuverlässig Informationen über das System ableiten, ohne Vorkenntnisse voraussetzen zu müssen.

Dieses Forschungsprogramm hat zu einem vollständigen und detaillierten Verständnis der Quantenkorrelationen im kleinsten Szenario geführt, in dem zwei Parteien zwei Messungen mit jeweils zwei Ergebnissen durchführen. Dies dient als Vorlage für zukünftige Verallgemeinerungen in größere Szenarien (mehr als zwei Messungen und Ergebnisse) und liefert Einblicke in die geräteunabhängige Quantentomographie und Zertifizierung. Konkret wissen wir genau, welche experimentellen Korrelationen man beobachten muss, um ein unbekanntes Gerät zu charakterisieren; Daher dient der Versuch, diese Korrelationen zu erreichen, als hervorragende Kalibrierungs- und Initialisierungstechnik. Darüber hinaus wissen wir auch genau, welche Art von Korrelationen ideal für die Quantenschlüsselverteilung sind, und dies hat unerwarteterweise eine neue Familie von Protokollen nahegelegt, die auf den "Extrempunkten auf Elliptosflächen" basieren. Darüber hinaus wurde das in dieser Forschung gewonnene umfassendere Verständnis auch auf ein völlig anderes Problem der Quantengrundlage angewendet. Dies hat zu einem unerwarteten Ergebnis über die reale Quantentheorie und zu ihrer Widerlegung geführt. Wir können experimentell bestätigen, dass die Quantentheorie mit komplexen Zahlen formuliert werden muss. Dieses letztgenannte Ergebnis hat in vielen populärwissenschaftlichen Fachzeitschriften und auf YouTube-Kanälen große Beachtung gefunden und wird 2022 mit dem Paul Ehrenfest Best Paper Award für die Quantum Foundation ausgezeichnet.