Stockholmsfysiker först med att observera kvant-tillstånd med bunden sammanflätning

När de sammanflätade partiklarna ska användas för kvantkommunikation förväntas de bli distribuerade till olika användare som inte kan mötas. De sammanflätade kvant-tillstånden kan då blandas upp när sammanflätningen förstörs av dekoherens vilket medför en oönskad koppling mellan det kvantmekaniska tillståndet och dess omgivning vilket medför en kvalitetsförsämring. Dock finns det algoritmer som kan rena eller optimera en uppsättning partiklar med dålig kvalitet trots att parterna inte kan mötas.

Det finns vissa blandade sammanflätade tillstånd, så kallad bunden sammanflätaning, som inte kan destilleras och optimeras och därför inte kan användas för kvant-teleportering, vilket är en av grundpelarna i många kvant-algoritmer. Ett kvant-tillstånd som innehåller bunden sammanflätning är det så kallade Smolin-tillståndet som är ett tillstånd som består av fyra partiklar som tillsammans har väldigt speciella egenskaper.

– Vid skapelseögonblicket är partiklarna maximalt sammanflätade. Men på grund av att vi tillför ett specifikt brus försvinner möjligheten att optimera tillbaka tillståndet. De speciella egenskaperna hos det bundna sammanflätade tillståndet vi funnit gör det möjligt för oss att tillämpa inom kvantinfomationsbehandling. Den här pusselbiten gör att vi kan reducera såväl kommunikationskomplexiteten som så kallad security sharing i ett nätverk, säger Mohamed Bourennane, docent i Kvantfysik, Stockholms universitet.

Det sammanflätatde fyra-kvantbitstillståndet, även kallat Smolin-tillståndet efter fysikern John Smolin, skapade forskarna i laboratoriet genom att använda polariserade fotoner som kvantbitar. Med hjälp av en laser, pumpar ultravioletta pulser en kristall för att skapa fyra fotoner som är sammanflätade i par. Därefter skapade forskarna det sammanflätande tillståndet, som är en identisk uppsättning av alla fyra så kallade Bell-tillstånd i fyra fotoner, genom att använda singel-fotons kvantgridar. I experimentet identifierade och återskapade forskarna sammanflätningsegenskaperna hos Smolin-tillståndet, vilket även inkluderar rekonstruktionen av densitetsmatrisen med hjälp av kvant-tillståndstomografi.

Stockholmsforskarnas upptäckt är den första stora utvecklingen av testning av kvantteorins grundvalar sedan 1981 då det första experimentella testet av Bell-olikheter utfördes av Alain Aspect. 1964 härledde John Bell en olikhet som visade att korrelationen mellan två partiklar där varje partikel kan anta två skilda tillstånd motstrider alla lokala realistiska modeller, det vill säga att mätresultaten på ena partikeln påverkar den andra utan att det finns någon koppling mellan dem. Trots detta är alla kryphål för ett helt vattentätt Bell-experiment fortfarande inte genomfört.

Sammanflätning ses som nödvändig för tillämpningar som teleportering, utveckling av kvantgrindar till kvantdatorer och olika typer av kvantkrypteringsprotokoll. Inom kvantmekaniken har egenskaper som superpositionerings-principen och sammanflätning viktiga funktioner. Förutsägelserna om dem har verifierats i flera experiment och ligger till grund för flera moderna teknologier. Till exempel skulle den mordena transistorn i datorer inte fungera om det inte vore för kvantmekaniken och inte heller den fotoelektriska effekten som är grunden till många ljus detektorer som användes i kameror av alla dess slag.

Ytterligare information:
Mohamed Bourennane, Fysikum, Stockholms universitet, tfn 08-55 37 87 36, mobil 070-565 27 30, e-post boure@fysik.su.se,
Elias Amselem, Fysikum, Stockholms universitet, tfn 08-55 37 87 03, mobil 073-0775445, e-post amselem@fysik.su.se