Verificarea entanglării într-o rețea cuantică fără a avea încredere în detectoare
Cercetătorii de la Universitatea Shandong au propus o metodă prin care entanglarea dintr-o rețea cuantică poate fi verificată și cuantificată fără a presupune că echipamentele de măsurare sunt de încredere. Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters.
Rețelele cuantice conectează utilizatori sau dispozitive diferite folosind principiile mecanicii cuantice și ar putea îmbunătăți în viitor securitatea comunicațiilor. Pentru ca o rețea bazată pe entanglare să funcționeze, este necesar să se poată verifica dacă particulele sunt într-adevăr entanglate și în ce măsură. Entanglarea este un efect mecanic cuantic în care stările partajate ale unor particule aflate la distanță nu pot fi descrise separat sau independent.
Abordarea dezvoltată de echipă a fost folosită pentru a verifica entanglarea într-o rețea cu patru utilizatori. „Construirea unei rețele cuantice este doar o parte a provocării”, a declarat He Lu, autorul principal al lucrării. „Trebuie să știm și dacă entanglarea distribuită în rețea este cu adevărat prezentă.”
Interesul pentru această problemă datează din 2014, când cercetătorul a participat la una dintre primele demonstrații experimentale ale metodei de atestare a entanglării independentă de dispozitivul de măsurare. Atunci, echipa a arătat că tehnicile convenționale de verificare pot fi induse în eroare de măsurători manipulate, care pot face ca testele să detecteze entanglare acolo unde aceasta nu există. Metoda independentă de dispozitiv elimina această limitare, dar necesita pregătirea unor fotoni suplimentari în stări cunoscute, ceea ce complica implementarea.
În studiul recent, cercetătorii au construit rețeaua cuantică folosind un cip fotonic care generează perechi de fotoni entanglați pe o gamă largă de lungimi de undă. Distribuind perechile prin canale de lungimi de undă diferite, au conectat patru utilizatori astfel încât fiecare pereche să partajeze entanglare, rezultând șase conexiuni, fiecare pe 20 de kilometri de fibră optică.
Ideea centrală a metodei este utilizarea a două proprietăți diferite ale aceluiași foton. Momentele posibile de sosire ale fotonilor transportă entanglarea, în timp ce orientarea undelor luminoase este folosită pentru a pregăti stări cunoscute necesare testării. Prin efectuarea unei măsurători comune asupra acestor două proprietăți, entanglarea poate fi verificată fără a avea încredere în dispozitivele de măsurare și fără a fi nevoie de fotoni auxiliari suplimentari.
Echipa a înregistrat coincidențele de fotoni între perechile de utilizatori. Analizând aceste măsurători, au putut verifica prezența entanglării în toate cele șase conexiuni și au stabilit o limită inferioară a cantității de entanglare partajate între fiecare pereche de utilizatori, fără a se baza pe dispozitive de măsurare de încredere.
„Mai important, metoda noastră depășește simpla determinare a existenței entanglării”, a spus He Lu. „Ne permite să cuantificăm entanglarea stabilind o limită inferioară a cantității partajate între utilizatori, folosind aceleași date de măsurare.”
Abordarea necesită și mai puține resurse experimentale, deoarece folosește aceiași fotoni atât pentru a realiza, cât și pentru a verifica entanglarea. În experimentul din 2014, implementarea necesita fotoni auxiliari suplimentari, ceea ce făcea experimentul dificil din punct de vedere tehnic. În lucrarea actuală, această cerință a fost eliminată prin codificarea stărilor de test în polarizarea acelorași fotoni care transportă entanglarea.
Cercetătorii consideră că abordarea lor ar putea face caracterizarea fiabilă a entanglării mai practică pentru rețele cuantice mai mari. În rețelele complet conectate extinse, numărul de conexiuni crește, astfel încât minimizarea complexității metodelor de verificare devine tot mai importantă.
„Următorul nostru obiectiv este să extindem abordarea la rețele cuantice mai mari și mai complexe”, a declarat He Lu. „Suntem interesați în special de entanglarea de dimensiuni mari și multipartită.”
Sursa de niobat de litiu folosită în experimente produce fotoni cu o gamă largă de lungimi de undă, ceea ce permite partajarea entanglării prin mai multe canale de lumină separate. Această caracteristică ar putea fi utilă la crearea unor rețele cuantice cu mai mulți utilizatori și conexiuni.
