허점

Nature 617권, 265~270페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중첩, 얽힘 및 비국소성은 양자 물리학의 기본 특징을 구성합니다. 양자물리학이 국지적 인과관계의 원리를 따르지 않는다는 사실은1,2,3 공간적으로 분리되고 얽힌 양자 시스템 쌍에 대해 수행된 벨 테스트4에서 실험적으로 입증될 수 있습니다. 양자물리학의 리트머스 테스트로 널리 알려진 벨 테스트는 지난 50년 동안 광범위한 양자 시스템을 사용하여 탐구되어 왔지만, 소위 허점5이 없는 실험은 비교적 최근에야 성공했습니다. 이러한 실험은 질소-공극 중심6, 광학 광자7,8,9 및 중성 원자10에서 스핀을 사용하여 수행되었습니다. 여기에서는 양자 컴퓨팅 기술을 실현하기 위한 주요 경쟁자인 초전도 회로를 사용하여 벨의 부등식을 허점 없이 위반하는 방법을 보여줍니다. Clauser-Horne-Shimony-Holt 유형 벨 부등식4을 평가하기 위해 우리는 한 쌍의 큐비트12를 결정론적으로 얽히고 30미터 거리에 걸쳐 있는 극저온 링크14를 통해 연결된 큐비트에서 무작위로 선택된 베이스를 따라 빠르고 충실도가 높은 측정13을 수행합니다. 100만 개가 넘는 실험을 평가한 결과 평균 S 값은 2.0747 ± 0.0033으로 P 값이 10−108보다 작은 Bell의 부등식을 위반하는 것으로 나타났습니다. 우리의 연구는 비국소성이 양자 통신, 양자 컴퓨팅 및 기초 물리학에 잠재적으로 응용될 수 있는 초전도 회로로 실현된 양자 정보 기술의 실행 가능한 새로운 자원임을 보여줍니다.

양자물리학의 놀라운 특징 중 하나는 국지적 인과율의 원리를 따르는 자연에 대한 우리의 일반적인 직관적 이해와 모순된다는 것입니다1. 이 개념은 사건의 원인이 인근에서 발견될 것이라는 기대에서 파생됩니다(토론은 보충 정보 섹션 I 참조). 1964년에 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 국소 인과관계 원리를 만족하는 이론이 얽힌 양자 시스템 쌍의 특성을 설명하지 않는다는 것을 경험적으로 입증하기 위해 현재 벨 테스트로 알려진 실험을 제안했습니다2,3.

벨 테스트4에서는 서로 다른 두 당사자 A와 B가 각각 얽힌 양자 시스템의 한 부분(예: 두 큐비트 중 하나)을 보유합니다. 그런 다음 각 당사자는 큐비트에서 수행할 수 있는 두 가지 측정 중 하나를 선택하고 이진 측정 결과를 기록합니다. 당사자들은 이 과정을 여러 번 반복하여 통계를 축적하고 측정 선택과 기록된 결과를 사용하여 벨 부등식2,4을 평가합니다. 국소 숨은 변수 모델이 적용되는 시스템은 부등식을 따르는 것으로 예상되는 반면, 양자 시스템은 이를 위반할 수 있습니다. 벨 부등식의 도출에 기본이 되는 두 가지 가정은 지역성, 즉 A 측 위치에서의 측정 결과가 B 측 위치에서 이용 가능한 정보에 의존할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지라는 개념과 측정 독립성입니다. 두 가지 가능한 측정값은 숨겨진 변수와 통계적으로 독립적입니다.

Bell의 제안이 있은 지 10년 후, 최초의 선구적인 실험 Bell 테스트가 성공했습니다16,17. 그러나 이러한 초기 실험은 추가 가정에 의존하여18 실험에서 도출된 결론에 허점을 만들었습니다. 이후 수십 년 동안 모든 주요 허점을 동시에 닫는 허점 없는 벨 불평등 위반이 2015년과 다음 해에 시연될 때까지 점점 더 적은 수의 가정에 의존하는 실험이 수행되었습니다6,7,8,9,10 ; 심판을 참조하십시오. 22 토론을 위해.

양자 정보 과학의 발전 과정에서 최소한의 가정에 의존하는 벨 테스트가 기초 물리학 테스트에 관심이 있을 뿐만 아니라 양자 정보 처리 프로토콜의 핵심 리소스 역할을 한다는 것이 분명해졌습니다. 벨 부등식의 위반을 관찰하는 것은 시스템이 비고전적인 상관 관계를 가지고 있음을 나타내며 잠재적으로 알려지지 않은 양자 상태가 어느 정도의 얽힘과 순도를 가지고 있다고 주장합니다. 선택한 입력(측정 기준 선택)과 기록된 테스트 출력 값(측정 결과) 간의 관찰된 상관 관계를 기반으로 하는 이 평가는 시스템의 내부 작동에 대한 지식(장치로 알려진 속성)에 의존하지 않습니다. 독립23. 이를 통해 양자 상태 및 측정을 식별하고, 양자 컴퓨팅 장치의 올바른 기능을 인증하고, 사용된 장치에 대해 제한된 가정만으로 두 당사자 간의 공통 및 비밀 키를 설정할 수 있습니다. Bell 테스트의 추가 적용에는 장치 독립적 무작위성 생성 및 확장, 인증된 방식으로 주어진 무작위 비트 문자열 확장27,28 및 무작위성 증폭, 인증된 방식으로 무작위성 소스의 품질 향상29,30이 포함되며 이는 불가능한 작업입니다. 순전히 고전적인 수단으로 달성합니다.