Исследование было опубликовано в научном журнале Nature Communications в пятницу, 27 августа 2021 г. Аспирант Wits Исаак Нейп работал с выдающимся профессором Эндрю Форбсом, ведущим исследователем этого исследования и директором лаборатории структурированного света в школе физики Университета Витса, а также докторантом доктором Валерией Родригес-Фахардо, приглашенным тайваньским исследователем доктором Хасиао. Чи Хуанг, доктор Джонатан Лич и доктор Фэн Чжу из Университета Хериот-Ватт в Шотландии.
В своей статье под названием: Измерение размерности и чистоты многомерных запутанных состояний команда изложила новый подход к квантовым измерениям, протестировав его на 100-мерном квантовом запутанном состоянии. При традиционных подходах время измерения неблагоприятно увеличивается с увеличением размерности, так что на распутывание 100-мерного состояния с помощью полной «томографии квантовых состояний» потребуются десятилетия. Вместо этого команда показала, что основная информация о квантовой системе – сколько измерений запутано и до какого уровня чистоты? — можно вывести за считанные минуты.
Новый подход требует только простых «прогнозов», которые можно легко сделать в большинстве лабораторий с помощью обычных инструментов. Используя в качестве примера свет, команда использует полностью цифровой подход для выполнения измерений.
Проблема, объясняет Форбс, заключается в том, что, хотя состояния высокой размерности легко создать, особенно с запутанными частицами света (фотонами), их нелегко измерить – наш набор инструментов для их измерения и управления почти пуст. Вы можете думать о многомерном квантовом состоянии как о гранях игральных костей.
Обычная игральная кость имеет 6 граней, пронумерованных от 1 до 6, для шестимерного алфавита, который можно использовать для вычислений или для передачи информации при общении. Чтобы сделать «кубик большой размерности», нужно использовать кубик с большим количеством граней: 100 измерений равны 100 граням – довольно сложный многоугольник. В нашем повседневном мире было бы легко сосчитать лица, чтобы узнать, какие ресурсы у нас есть, но не так в квантовом мире.
В квантовом мире невозможно увидеть все кости целиком, поэтому подсчитать лица очень сложно. Чтобы обойти это, мы делаем томографию, как это делают в мире медицины, создавая изображение из многих-многих срезов объекта. Но информация в квантовых объектах может быть огромной, поэтому время для этого процесса непомерно.
Более быстрый подход – это «измерение колокола», известный тест, чтобы определить, запутано ли то, что у вас перед вами, например, спросить его: «квантовый вы или нет??."Но хотя это подтверждает квантовую корреляцию игральных костей, это мало что говорит о количестве граней, которые у нее есть.
«Наша работа обошла эту проблему благодаря случайному открытию, что существует набор измерений, который не является томографией и не измерением Белла, но содержит важную информацию об обоих», – говорит Исаак Нейп, аспирант, проводивший исследование. «Говоря техническим языком, мы объединили эти два подхода к измерениям, чтобы сделать несколько проекций, которые выглядят как томография, но измеряют видимость результата, как если бы они были измерениями Белла. Это выявило скрытую информацию, которую можно извлечь из силы квантовых корреляций во многих измерениях.«Комбинация скорости из подхода, подобного Беллу, и информации из подхода, подобного томографии, означала, что ключевые квантовые параметры, такие как размерность и чистота квантового состояния, могут быть определены быстро и количественно, что является первым подходом для этого.
«Мы не предлагаем, чтобы наш подход заменял другие методы», – говорит Форбс. "Скорее, мы рассматриваем это как быстрое исследование, чтобы выявить, с чем вы имеете дело, а затем использовать эту информацию, чтобы принять обоснованное решение о том, что делать дальше.
Ящик с лошадьми за курсом.«Например, команда видит свой подход как изменение правил игры в реальных квантовых коммуникационных каналах, где быстрое измерение того, насколько шумным стало это квантовое состояние и что это сделало с полезными измерениями, имеет решающее значение.