Лазейка

Nature, том 617, страницы 265–270 (2023 г.) Процитировать эту статью

25 тысяч доступов

446 Альтметрика

Подробности о метриках

Суперпозиция, запутанность и нелокальность составляют фундаментальные особенности квантовой физики. Тот факт, что квантовая физика не следует принципу локальной причинности1,2,3, может быть экспериментально продемонстрирован в тестах Белла4, выполненных на парах пространственно разделенных запутанных квантовых систем. Хотя тесты Белла, которые широко рассматриваются как лакмусовая бумажка квантовой физики, исследовались с использованием широкого спектра квантовых систем за последние 50 лет, только относительно недавно эксперименты, свободные от так называемых лазеек5, увенчались успехом. Подобные эксперименты проводились со спинами в азот-вакансионных центрах6, оптическими фотонами7,8,9 и нейтральными атомами10. Здесь мы демонстрируем нарушение неравенства Белла без лазеек со сверхпроводящими цепями, которые являются главным претендентом на реализацию технологии квантовых вычислений11. Чтобы оценить неравенство Белла типа Клаузера-Хорна-Шимони-Холта4, мы детерминированно запутываем пару кубитов12 и выполняем быстрые и высокоточные измерения13 вдоль случайно выбранных баз на кубитах, соединенных криогенной связью14 на расстоянии 30 метров. Оценивая более 1 миллиона экспериментальных испытаний, мы находим среднее значение S 2,0747 ± 0,0033, что нарушает неравенство Белла со значением P меньше 10–108. Наша работа показывает, что нелокальность — это новый жизнеспособный ресурс в квантовых информационных технологиях, реализованный с помощью сверхпроводящих схем и имеющий потенциальное применение в квантовой связи, квантовых вычислениях и фундаментальной физике15.

Одна из поразительных особенностей квантовой физики заключается в том, что она противоречит нашему обычному интуитивному пониманию природы, следующему принципу локальной причинности1. Эта концепция исходит из ожидания, что причины события следует искать поблизости от него (обсуждение см. в разделе I «Дополнительная информация»). В 1964 году Джон Стюарт Белл предложил эксперимент, ныне известный как тест Белла, чтобы эмпирически продемонстрировать, что теории, удовлетворяющие принципу локальной причинности, не описывают свойства пары запутанных квантовых систем2,3.

В тесте Белла4 две отдельные стороны A и B содержат по одной части запутанной квантовой системы, например, один из двух кубитов. Затем каждая сторона выбирает одно из двух возможных измерений для своего кубита и записывает результат двоичного измерения. Стороны повторяют этот процесс много раз, чтобы накопить статистику и оценить неравенство Белла2,4, используя варианты измерения и записанные результаты. Ожидается, что системы, управляемые моделями локальных скрытых переменных, будут подчиняться этому неравенству, тогда как квантовые системы могут его нарушать. Двумя основными допущениями при выводе неравенства Белла являются локальность, концепция, согласно которой результат измерения в месте нахождения стороны A не может зависеть от информации, доступной в месте нахождения стороны B, и наоборот, и независимость измерения, идея о том, что выбор между два возможных измерения статистически независимы от каких-либо скрытых переменных.

Спустя десять лет после предложения Белла первые новаторские экспериментальные испытания Белла оказались успешными16,17. Однако эти ранние эксперименты основывались на дополнительных предположениях18, что создавало лазейки в выводах, сделанных на основе экспериментов. В последующие десятилетия эксперименты, основанные на все меньшем и меньшем количестве допущений, проводились19,20,21, пока в 2015 году и в последующие годы не были продемонстрированы нарушения неравенства Белла без лазеек, которые одновременно закрывают все основные лазейки6,7,8,9,10. ; см. исх. 22 для обсуждения.

С развитием квантовой информатики стало ясно, что тесты Белла, основанные на минимальном количестве допущений, представляют не только интерес для проверки фундаментальной физики, но и служат ключевым ресурсом в протоколах обработки квантовой информации. Наблюдение нарушения неравенства Белла указывает на то, что система обладает неклассическими корреляциями, и утверждает, что потенциально неизвестное квантовое состояние имеет определенную степень запутанности и чистоты. Эта оценка, основанная на наблюдаемых корреляциях между выбранными входными данными (выбором основы измерения) и записанными выходными значениями (результатами измерения) теста, не опирается на знание внутренней работы системы: свойство, известное как устройство. независимость23. Это позволяет идентифицировать квантовые состояния и измерения24, сертифицировать правильное функционирование квантовых вычислительных устройств25 и устанавливать общие и секретные ключи между двумя сторонами, имея лишь ограниченные предположения об используемых устройствах26. Дальнейшие применения тестов Белла включают независимую от устройства генерацию и расширение случайности, расширение заданной случайной строки битов сертифицированным способом27,28 и усиление случайности, улучшение качества источника случайности сертифицированным способом29,30, что является невыполнимой задачей. достичь чисто классическими средствами.