Tim sa Technical University of Denmark, predvođen Zhenghao Liuom, konstruisao je GHZ-tip paradoks koji zahteva samo tri konteksta i eksperimentalno ga reprodukovao u 37-dimenzionalnom optičkom sistemu. Eksperiment koristi pulseve koherentnog svetla enkodirane u vremenskim binovima i homodinsku detekciju za rekonstrukciju verovatnoća. Podaci pokazuju prosečnu ekskluzivnost od 1,74(11)% i kršenje nekontekstualne granice za 8,06σ, uz napomenu da rezultati još ne daju striktno diskretne ishode i delom zavise od kvantne teorije.
Fizičari dokazuju GHZ-paradoks u 37 dimenzija — samo tri konteksta razotkrivaju kvantnu kontekstualnost
Danish physicists built the most compact GHZ-type quantum paradox possible, proving three measurement contexts are the minimum and demonstrating it in 37 dimensions with light. (CREDIT: Shutterstock)
Zagonetka sa samo tri poteza može delovati jednostavno, ali u kvantnoj fizici ona i dalje ruši klasičnu logiku. Tim sa Technical University of Denmark predvođen Zhenghao Liuom konstruisao je GHZ-tip paradoks koji zahteva samo tri konteksta i zatim ga eksperimentalno reprodukovao u 37-dimenzionalnom optičkom sistemu.
Šta je cilj i zašto je važno
Rad se bavi konceptom kontekstualnosti — idejom da vrednosti merenja ne postoje nezavisno od izbora kompletnog mernog konteksta. GHZ (Greenberger–Horne–Zeilinger) paradoks već dugo je jedan od najjasnijih načina da se ta napetost izloži jer dovodi do determinističke kolizije između kvantne teorije i bilo kog nekontekstualnog modela sa skrivenim promenljivama.
Graphs of exclusivity. The vertices with the same color belong to the same context. (A) A pentagon is the simplest graph that shows nonclassicality when considered as an exclusivity graph. (B) The graph complement of the Shrikhande graph is the underlying exclusivity structure of the original GHZ paradox with four contexts. (C) The Perkel graph is the orthogonal representation of the rays in the three-context GHZ-type paradox. (CREDIT: Science Advances)
Teorijsko i graf- teorijsko rešenje
Autori su odgovorili na pitanje koliko najmanje mernih konteksta treba da obuhvate sve događaje u GHZ-tip konstrukciji. Matematički su pokazali da su tri konteksta dovoljna i da manje nije moguće — ranije poznati primeri su tražili najmanje četiri. Koristili su pristup zasnovan na teoriji grafova u kojem su događaji merenja predstavljeni kao vrhovi u grafu ekskluzivnosti, a svojstva poput nezavisnog broja, Lovászovog broja i hromatskog broja pomažu u identifikovanju odgovarajuće strukture. Kandidatna struktura izvedena je iz komplementa Perkelovog grafa i na njoj je izgrađen eksplicitni GHZ-tip paradoks.
Eksperiment u 37-dimenzionalnom Hilbertovom prostoru
Konačna konstrukcija zahtevala je realizaciju merenja u 37-dimenzionalnom Hilbertovom prostoru. Umesto složenih multikvbit postavki, tim je koristio fotone: stanje je enkodirano u time-bin (vremenskim binovima) pulsiranog koherentnog svetla. Eksperimentalni sklop uključivao je pulsni fiberni laser, intenzitetske i fazne modulatore, fiberni prsten za optičku konvoluciju i homodinsku detekciju.
(A) An exemplary control signal and recorded oscilloscope trace centered at the measure period. (CREDIT: Science Advances)
37-dimenzionalno stanje podeljeno je u šest direktnih suma (subprostora), pri čemu je svaka podgrupa obrađivana u odvojenim merenjima. Homodinska detekcija omogućila je rekonstrukciju amplituda potrebnih za procenu verovatnoća merenja, a sistem je radio u ciklusu zaključavanja i merenja brzinom od 10 kHz uz aktivnu stabilizaciju faze.
Rezultati i ograničenja
Eksperiment je dodatno proveravao da li se u praksi pretpostavljeni ekskluzivni događaji ponašaju ekskluzivno: za parove ekskluzivnih zraka i projektora prosečna verovatnoća detekcije bila je samo 1,74(11)%, što tim tumači kao indikator visoke ortogonalnosti prepare-and-measure platforme.
Calculated values of the second term for each pair of compatible projectors that does not equal the computational basis. The colors stand for the probabilities of ideally orthogonal measurements. (CREDIT: Science Advances)
Kada su izmerili tri zbira verovatnoća koja definišu paradoks, podaci su slagali sa kvantnim predviđanjima i ubedljivo su, nakon korekcije za neperfektnu ekskluzivnost, prekršili granicu nekontekstualnih modela za 8,06 standardnih devijacija (8,06σ).
Međutim, autori upozoravaju da trenutna postavka ne daje strogo diskretne ishode događaja, pa ovo još nije test kontekstualnosti u strogo klasičnom smislu: dobijene verovatnoće delom zavise i od pretpostavki kvantne teorije koje su korišćene u proračunu. Kao put napred predlaže se zamena završne mjerne faze direktnom fotodetekcijom kako bi se te tačke adresirale u budućim eksperimentima.
Širi značaj
Studija pruža logički strogu verziju GHZ-paradoksa sa najmanjim mogućim brojem kontekstualnih pokrivača i pokazuje da se odgovarajuća visoko-dimenzionalna optička platforma može skalirati da reprodukuje zahtevan skup verovatnoća. Autori navode potencijalne primene u potrazi za egzotičnim kvantnim korelacijama, u radu na kvantnoj prednosti u plitkim krugovima (shallow circuits) i povezivanju sa platformama za merenjima zasnovano kvantno računanje i Gaussian boson sampling.
Rad je objavljen u Science Advances.
Pomozite nam da budemo bolji.
