&bala; Física 18, 80
Uma estrutura poderosa permite que os cientistas entendam e classifiquem medições quânticas conjuntas – procedimentos essenciais para muitas tecnologias quânticas.
Dois aspectos principais, porém enigmáticos, da física quântica são emaranhados e o ato de medir um sistema quântico. Esses elementos se combinam de maneiras únicas nas chamadas medições articulares, onde vários sistemas são medidos simultaneamente de uma maneira que explique seu emaranhado. As medições conjuntas são valiosas porque podem extrair informações ocultas sobre o estado combinado dos sistemas. Notavelmente, o resultado de uma medição conjunta pode ser replicado, mesmo que os sistemas sejam mantidos distantes, o que tem muitos benefícios práticos. Esses procedimentos de “localização” exigem que as operações locais sejam executadas em cada sistema e algum emaranhamento additional a ser compartilhado com antecedência. Agora, Jef Pauwels e colegas da Universidade de Genebra investigaram quanto desse emaranhado compartilhado é necessário para localizar uma determinada medição conjunta (1). Seus resultados aprofundam nossa compreensão teórica das medições quânticas e fornecem informações sobre os recursos necessários para promover tecnologias quânticas.
Indiscutivelmente, o emaranhamento é a partida mais impressionante da mecânica quântica da física clássica. Dois sistemas emaranhados devem ser considerados um todo indivisível, mesmo que estejam distantes um do outro. E em muitos cenários, o que acontece com um sistema está instantaneamente e fortemente correlacionado com o que acontece com o outro, mesmo em vastas distâncias. Esse fenômeno, conhecido como não-localidade quântica, gera correlações que desafiam qualquer explicação clássica consistente com a estrutura de causa e efeito dos experimentos (2). A não -localidade está subjacente aos principais aplicativos quânticos, como comunicação segura e geração de números verdadeiramente aleatórios (2).
Em experimentos em redes quânticas, o emaranhamento tem sido convencionalmente usado no estágio inicial dentro de dispositivos que geram estados emaranhados e os distribuem pela rede. No entanto, o fenômeno possui potencial inexplorado quando aplicado em outras partes dessas redes. Por exemplo, a incorporação de emaranhamento em canais de rede pode ativar e aprimorar as correlações não -locais (3Assim, 4). Quando os recursos emaranhados são usados no ato closing do experimento – o estágio de medição – e quando esse estágio envolve medições conjuntas, surgem perspectivas e desafios completamente novos. As medições das articulações são cruciais em vários protocolos de informação quântica, permitindo o teletransporte quântico e a troca de emaranhamento – uma maneira de enredar sistemas que não interagem diretamente (5). Além disso, novas formas de não-localidade podem surgir em redes complexas sujeitas a medições conjuntas baseadas em emaranhamento (6Assim, 7).
Apesar de sua importância, nossa compreensão das medições conjuntas ainda é ruim e vários desafios ainda precisam ser enfrentados. Sabe -se que emaranhamento adicional compartilhado pode permitir a localização de qualquer medição conjunta – ou seja, as estatísticas da medição podem ser reproduzidas através de operações quânticas locais e certas comunicações clássicas chamadas comunicações de transmissão (8). No entanto, os protocolos de localização existentes geralmente exigem uma quantidade infinita de emaranhamento, tornando -os conceitualmente difíceis e praticamente inviáveis. Essa limitação levanta questões críticas: quais medições conjuntas podem ser localizadas usando uma quantidade mínima finita e, idealmente, mínima de emaranhamento additional? E esse “custo de emaranhamento” pode ser usado para classificar as medidas conjuntas? Responder a essas perguntas teria implicações profundas para o desenvolvimento de redes quânticas práticas e para os fundamentos da mecânica quântica – como a compatibilidade de medições quânticas com relatividade especial (9).
Pauwels e colegas enfrentaram esse desafio, planejando protocolos de localização com base em teletransporte quântico que requerem apenas recursos quânticos finitos. Inspirado por esquemas usando emaranhamento infinito, a abordagem da equipe explora o que pode ser alcançado com um número específico e finito de pares de qubits emaranhados compartilhados (ebits), cuja quantidade outline uma hierarquia de medições conjuntas. Ao focar nas medições conjuntas de dois QBITs individuais, os pesquisadores classificam analiticamente as medições que podem ser localizadas nos primeiros níveis de sua hierarquia proposta. Seu método determina as condições sob as quais as estatísticas de uma medição conjunta podem ser reconstruídas por duas partes que executam operações locais (Fig. 1). O principal perception reside em relacionar a capacidade de localizar uma medição conjunta usando um certo número de ebits a condições matemáticas específicas que a medição deve satisfazer.
Os pesquisadores estabelecem uma ligação significativa entre a classificação baseada em emaranhamento das medições conjuntas e a hierarquia de Clifford-um conceito bem estabelecido da computação quântica que caracteriza a complexidade das operações quânticas. A equipe mostra que as medições conjuntas pertencentes aos níveis mais baixos de sua hierarquia de localização geralmente correspondem a operações mais simples no contexto dos circuitos quânticos. Essa conexão oferece uma compreensão mais profunda do custo de emaranhamento associado à localização de uma medição conjunta e de sua relação com a complexidade do processamento de informações quânticas.
No primeiro nível da hierarquia de localização dos pesquisadores, exigindo apenas um EBIT, os experimentos podem realizar dois tipos de medições articulares, incluindo as chamadas medições do estado de sino-crucial para teletransporte quântico e troca de emaranhamento (5). No próximo nível, exigindo três ebits, a classificação se estende para incluir outras medições notáveis, como as chamadas elegantes medições articulares, conhecidas por suas propriedades simétricas e papel na não localidade da rede (6). Curiosamente, muitas dessas medidas exibem simetrias especiais, sugerindo uma conexão profunda entre simetria e os limites fundamentais do processamento de informações quânticas.
Ao fornecer uma estrutura para entender as medições conjuntas, Pauwels e colegas deram um passo elementary para aproveitar essas medidas. Esta etapa pode impulsionar descobertas, aprofundar nossa compreensão da mecânica quântica e abrir avenidas para realizar tecnologias quânticas em cenários de recursos limitados. As medições baseadas em emaranhamento têm o potencial de revelar novas formas de não localidade emergentes em redes complexas, onde várias partes são interconectadas por meio de fontes de emaranhamento (7). Investigar a relação entre a não native da rede e a localização das medições conjuntas pode levar a novas maneiras de classificar as correlações quânticas nas redes.
Com o futuro advento da Web quântica, uma emocionante e essential direção de pesquisa é estender protocolos que certificam a aleatoriedade dos resultados de medição em redes quânticas multipartidárias (4Assim, 10). A abordagem desenvolvida por Pauwels e colegas pode desempenhar um papel importante aqui: o uso de medições conjuntas de complexidade variável pode permitir a certificação de diferentes quantidades de aleatoriedade. Além disso, os protocolos de localização para medições conjuntas têm aplicações diretas em criptografia quântica (1).
Como os pesquisadores sugerem e exploram parcialmente em seu estudo, um próximo passo é estender sua estrutura a sistemas quânticos de alta dimensão chamados qudits e cenários envolvendo mais de duas partes. Essa extensão pode abrir caminho para pesquisas futuras sobre o domínio amplamente desconhecido de medições conjuntas complexas. Atingir esse objetivo provavelmente exigirá métodos computacionais e analíticos inovadores. Finalmente, implementações experimentais desses protocolos – talvez adaptados a condições não ideais para facilitar as realizações práticas – parecem estar no horizonte. Tais realizações podem permitir novas formas de processamento de informações quânticas para comunicação e computação.
Referências
- J. Pauwels et al.“Classificação de medições quânticas articulares com base no custo de emaranhamento da localização”. Phys. Rev. x 15021013 (2025).
- N. Brunner et al.“Não -localidade de sino”. Rev. Mod. Phys. 86419 (2014).
- L. Villegas-Aguilar et al.“Ativação não -local em uma rede quântica fotônica”. Nat. Comun. 153112 (2024).
- E. Polino et al.“A aleatoriedade quântica experimental aprimorada por uma rede quântica”. ARXIV: 2412.16973.
- Ok. Azuma et al.“Revisores quânticos: das redes quânticas à web quântica”. Rev. Mod. Phys. 95045006 (2023).
- N. Gisin, “Emaranhado 25 anos após o teletransporte quântico: testando medições conjuntas em redes quânticas”. Entropia 21325 (2019).
- A. Tavakoli et al.“Não -localidade de sino em redes”. Rep. Prog. Phys. 85056001 (2022).
- L. Vaidman, “Medição instantânea de variáveis não -locais”. Phys. Rev. Lett. 90010402 (2003).
- N. Gisin e F. del Santo, “Rumo a uma teoria de medição no QFT: as medições quânticas ‘impossíveis’ são possíveis, mas não ideais”. Quantum 81267 (2024).
- G. Minati et al.“Certificação experimental de aleatoriedade em uma rede quântica com fontes independentes”. ARXIV: 2502.14658.
