Physical Review Letters’da yayınlanan yeni bir çalışmaya göre, kuantum korelasyonlar ve projektif olmayan ölçümler için rastgele girdilere bağlı olan geleneksel kuantum testlerinin yerine yenilikçi bir alternatif başarıyla gösterildi.
İletişim, kriptografi, hesaplama ve bilgi işleme gibi kuantum uygulamalarının tümü, kuantum mekaniğinin temel bir yönü olan “kuantum korelasyon” olgusuna bağlıdır.
Bağlantının türünü belirlemek için kullanılan yaygın test, fizikçi John Stewart Bell’den sonra Bell’in teorisi olarak da bilinen Bell eşitsizliği olarak adlandırılır. Bununla birlikte, ölçüm ayarlarını seçmek için tohum rastgeleliğinin gerekliliği, Bell teoreminin uygulanmasındaki zorluklardan biridir.
Zorluk, deney girdilerinin gerçekten rastgele olması gerekliliğinde yatmaktadır. Dahası, tohum rastgeleliği maliyetli ve hatalara açık olabilir.
Araştırmacılar yürütülen yeni çalışma ile alternatif bir test önererek bu tohum rastgeleliği gerekliliğini ortadan kaldırıyor.
Dr. Romero bunu şu şekilde ifade ediyor: “Çalışmamız rastgelelik için bu katı gerekliliği ortadan kaldırıyor. İki seviyeli klasik korelasyonlu paraların, dolaşık paralardan elde edilen paylaşılan (veya korelasyonlu) rastgeleliği yeniden üretemeyeceğini gösteriyoruz. Bu bulgu bize çalışmamızda ele aldığımız oyuncak oyununda kuantum avantajı yaratma olanağı veriyor.
Ayrıca bu bulguların kendisini ne kadar heyecanlandırdığının altını çizerek şunları söyledi: “Klasik ve kuantum bilgi arasındaki farkı vurgulayan deneyler için her zaman tetikteyim çünkü bu deneyler merak uyandırıyor.”
Cihaz Bağımsızlığı ve Bell eşitsizliği
Kuantum sistemlerini ve protokollerini uygulamaya koymak çeşitli nedenlerden dolayı zordur. İdealize edilmiş modelleme ve tüm bileşenlerinin tam olarak anlaşılması en büyük engellerden ikisidir. Bu protokoller, bu anlayış olmadan farklı tehditlere karşı hassastır.
Gerçekte, kuantum sistemi hakkında bilinmesi gereken her şeyi bilmiyoruz. Hindistan’ın S.N. Bose Ulusal Temel Bilimler Merkezi’nden çalışmanın yazarlarından Dr. Manik Banik, “Pratikte Bell’in eşitsizliği, kuantum cihaz işlemleri hakkında ayrıntılı bilgi sahibi olmadan tamamen cihazdan bağımsız protokollere olanak tanıyan ‘cihazdan bağımsız’ bir şekilde klasik olmayışı onaylamak için çok önemli bir araç olarak hizmet ediyor” dedi.
“Bununla birlikte, pratik senaryolar genellikle cihaz özellikleri hakkında kısmi bilgi içerir ve bu da yarı cihaz bağımsızlığına yol açar.”
Bu durumlarda, ilgili alt sistemlerin boyutları gibi kuantum sistemi hakkında bazı bilgilere sahibiz, ancak nasıl çalıştığını tam olarak anlamıyoruz. Ekip aslında bunu takip etti.
Cihazın operasyonel boyutuna ilişkin daha fazla ayrıntıya ihtiyaç duyulmasına rağmen, yalnızca çıktı istatistiklerine dayalı olarak bu klasik olmayan sertifikasyon görevine bir yanıt sunuyoruz. Polonya’daki Gdansk Üniversitesi’nden bir diğer ortak yazar Sankar Bhattacharya’ya göre, cihaz hakkında sınırlı da olsa bu ek bilgi nedeniyle tekniğin yarı cihaz bağımsız olduğu düşünülmektedir.
Dolanık Fotonlar, Alice & Bob
Bilim insanları tarafından kullanılan deneysel düzenek, doğrusal olmayan bir kristal kullanarak dolaşık fotonlar üreten spontane parametrik aşağı dönüşüm (SPDC) adı verilen bir tekniğe dayanıyordu.
Esasen, yüksek enerjili pompa fotonları doğrusal olmayan bir kristaldeki SPDC işlemi tarafından emilir ve daha sonra kendiliğinden daha düşük enerjili dolaşık foton çiftleri üretir.
Daha sonra dolanık fotonları Alice ve Bob arasında rastgele dağıtmak için bir ışın ayırıcı kullanıldı. Fotonların uzayda nasıl dağıldığını karakterize eden bir özellik olan fotonların uzaysal modları Alice ve Bob tarafından ölçülmüştür.
Alice ve Bob, dolanık fotonları ölçmek için genellikle POVM’ler olarak bilinen ve projektif olmayan ölçümleri tanımlayan bir ölçüm operatörleri koleksiyonu olan kübit üçlü pozitif operatör değerli ölçümleri kullandılar.
Kuantum fiziğindeki projektif olmayan ölçümler, bir bütün olarak projektif ölçümlerin kapsamının ötesine geçerek kuantum sistemlerinin daha kapsamlı bir şekilde karakterize edilmesini sağlar.
Alice ve Bob arasında bir sonuç korelasyon gösterdiğinde, ekip daha sonra bu sonuçları kaydetmeye başladı. Daha sonra ortak olasılık dağılımlarını hesaplayarak Alice ve Bob ile ilişkili olan belirli ölçüm sonuçlarını elde etme olasılığını değerlendirdiler.
Ortak olasılık dağılımı, örneğin dolanık fotonlarla bir oyun oynuyorlarsa ve her ikisinin de yazı (H) ya da tura (T) gelip gelmediğini ölçüyorlarsa, her ikisinin de H elde etme, her ikisinin de T elde etme ya da birinin H diğerinin T elde etme olasılıklarını ortaya koyacaktır.
Düzenekteki tek bilinen değişkenler girdi (dolanık fotonlar) ve çıktı (ölçümler) olduğundan yarı cihaz bağımsızdır.
Kuantum avantajı fikri, kuantum sistemleri dünyasındaki geleneksel rastgelelik fikirlerine meydan okumaktadır. Bu deneyde paylaşılan rastgeleliğin kanıtlanması anlamına gelir.
Yazı tura gibi klasik sistemler her potansiyel sonuca sabit bir olasılık atfeder. Örneğin adil bir madeni paranın her atışta H ya da T’ye gelme olasılığı %50’dir. Buna karşılık, kuantum sistemlerinde tamamen rastgele gibi görünen ama aslında dolaşık olan birleşik olaylar görülebilir.
Alice ve Bob’un her birinin kendi madeni paralarını kendi başlarına attıkları bir durum düşünün. İlginç bir şekilde, yazı tura atışlarının sonuçları açıklanamaz bir şekilde dolaşıktır. Alice bir H aldığında, Bob da aynı anda bir H alır ve Alice bir T aldığında bunun tam tersi olur.
Parçacıkların birbirine bağlandığı ve fiziksel ayrılıktan bağımsız olarak niteliklerinin ilişkili kaldığı kuantum dolanıklık, bu paylaşılan rastgeleliği yaratır.
Dolaşık fotonlardan oluşturulan korelasyonlu madeni paranın iki seviyeli klasik korelasyonlu madeni para kullanılarak kopyalanamayacağını gösteren araştırmacılar, kuantum avantajını ortaya koydu.
Kuantum bilginin işlenmesine yönelik çıkarımlar Dr. Romero tarafından şu şekilde tanımlanmıştır: “Paylaşılan (ya da korelasyonlu) rastgelelik birçok görev için faydalı bir kaynaktır.”
“Belirli gizli paylaşım stratejileri veya rastgelelik dağılımı bileşeni içeren kuantum hesaplamaları gibi kuantum iletişim protokolleri sonuçlarımızdan faydalanabilir.”
Gelecekteki araştırmalar için kuantum avantajının cihazdan bağımsız hale nasıl getirileceğini araştırmak ve deneysel bir gösteri gerçekleştirmek istiyor.
Kaynak: Phys.org
