Го Кун Тонг и Валерио Скарани из Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура вместе с Андреа Коладанджело из Калифорнийского технологического института сообщили 26 мая в Nature Communications, что простой набор измерений может служить проверкой личности любого человека. двухчастичное запутанное состояние. Наличие этого отпечатка пальца может помочь сертифицировать квантовые компьютеры или устройства квантового шифрования, приобретенные у третьих лиц.
Запутанное квантовое состояние состоит из двух или более частиц, содержащих множество неопределенных результатов. Такие состояния являются топливом для квантовых вычислений и обеспечивают безопасность квантовой коммуникации. Проблема в том, что трудно проверить, обладают ли эти состояния ожидаемыми от них свойствами. Это оставляет дверь открытой для плохо функционирующих устройств.
«Мне нравится видеть, что наша работа дает возможность тестирования квантовых устройств потребителям, которые их используют. В настоящее время только те, кто создает устройства или понимает их инженерный аспект, могут проводить испытания», — говорит Го.
Квантовые физики также могут использовать этот инструмент «самопроверки» в качестве контрольного шага в лабораторных экспериментах.Работа основана на результатах других групп, распространяя результаты исследования кубитов на более экзотические кудиты.
Кудиты — это квантовые биты более высоких измерений. Вместо того, чтобы просто хранить двоичный бит информации — 0 или 1 — qudit имеет большую плотность информации, храня 0, 1, 2, 3, 4 и т.д. может ускорить некоторые вычислительные или коммуникационные задачи.
Идея самотестирования важна, потому что обычно трудно получить много информации о квантовом состоянии частицы. Состояние частицы описывается «волновой функцией», которая кодирует вероятности различных свойств частицы, таких как поляризация или импульс.
Чтобы быть уверенным в квантовом состоянии, вам нужно знать всю волновую функцию. Однако здесь есть проблема. Измерение квантового состояния показывает только одно значение, а не полный набор возможностей.
Традиционный способ узнать полное квантовое состояние включает метод, называемый томографией. Это требует измерения множества копий квантового состояния разными способами, подсчета всех результатов различных измерений, чтобы получить полный набор вероятностей. Это также включает в себя трудоемкий процесс определения характеристик измерительных устройств и их согласования с источником квантовых частиц.
Самотестирование более эффективно, требует меньшего количества измерений. Он также «не зависит от устройства» или похож на слепую томографию — не требует определения характеристик измерительного устройства, если устройство гарантированно обнаруживает большинство частиц.
Это связано с тем, что отпечаток пальца — это образец результатов измерений двух частиц, которые могут быть последовательно созданы только странными корреляциями в квантовом состоянии, а не каким-либо классическим процессом или случайно. Увидеть этот паттерн означает, что квантовое состояние должно присутствовать.
Знаменитый «эксперимент CHSH» в квантовой физике — пример снятия отпечатков пальцев для квантового состояния двух кубитов. Чтобы доказать, что тесты отпечатков пальцев существуют для всех состояний с двумя кудитами, авторы показали, что эти состояния можно рассматривать как составленные из блоков двухуровневых систем, подобных кубитам. Более того, эта математическая эквивалентность указывает на то, какие измерения необходимы — хотя пока не ясно, подходят ли они для проведения экспериментов.
Команда надеется, что это открытие послужит стимулом для новой волны исследований, чтобы найти простые способы включения этой проверки в эксперименты или устройства. Пока что признаки хорошие. «Из всей моей работы за последние пять лет это привлекло наибольшее внимание», — говорит Скарани.
Помимо того, что его коллеги заинтересуются результатом, его пригласили выступить с докладом о самотестировании на QCrypt, ежегодной конференции по квантовой криптографии, которая проводится в этом году в Великобритании в сентябре.