Forskare som arbetar i Singapore och USA har upptäckt att alla intrasslade tillstånd av två partiklar har ett klassiskt "fingeravtryck". Detta genombrott kan hjälpa ingenjörer att skydda sig mot fel och enheter som inte gör vad de lovar inom kvantberäkning och kvantkryptografi.

Goh Koon Tong och Valerio Scarani vid Center for Quantum Technologies vid National University of Singapore, med Andrea Coladangelo vid California Institute of Technology, rapporterade i Naturkommunikation den 26 maj att en enkel uppsättning mätningar kan fungera som en identitetskontroll för alla tvåpartiklar som trasslar ihop sig. Förekomsten av detta fingeravtryck kan hjälpa till att certifiera kvantdatorer eller kvantkrypteringsenheter som köpts från tredje part.

Ett intrasslat kvanttillstånd består av två eller flera partiklar som hålls i en mängd oavgjort resultat. Sådana tillstånd är bränsle för kvantberäkning och ger säkerhet till kvantkommunikation. Problemet är, det är svårt att kontrollera att dessa tillstånd har de egenskaper som förväntas av dem. Det lämnar dörren öppen för dåligt fungerande enheter.

"Jag gillar att se vårt arbete som att ge kraften i att testa kvantanordningar för de konsumenter som använder dem. För närvarande, bara de som bygger enheterna eller förstår den tekniska aspekten av dem kan utföra testet, "säger Goh. Kvantfysiker kan också använda detta" självtestande "verktyg som ett kontrollsteg i laboratorieexperiment.

Arbetet bygger på resultat från andra grupper, utvidga fynd för qubits till de mer exotiska qudits. Qudits är högre dimensionella kvantbitar. Istället för att bara lagra en binär information - en 0 eller 1 - har en qudit större informationstäthet, lagra en 0, 1, 2, 3, 4, etc. Sådana stater, fast svårt att göra, är intressanta eftersom de kan påskynda vissa beräknings- eller kommunikationsuppgifter.

Idén med självtestning är betydelsefull eftersom det i allmänhet är svårt att få mycket information om en partikels kvanttillstånd. En partikels tillstånd beskrivs av en 'vågfunktion' som kodar sannolikheterna för partikelns olika egenskaper, såsom polarisering eller momentum. För att vara säker på ett kvanttillstånd, du behöver känna till hela vågfunktionen. Dock, det är ett problem här. Att mäta kvanttillståndet avslöjar bara ett värde - inte hela uppsättningen möjligheter.

Det traditionella sättet att försöka lära sig hela kvanttillståndet innebär en teknik som kallas tomografi. Detta kräver mätning av många kopior av kvanttillståndet på olika sätt, räkna upp alla resultat från de olika mätningarna för att ge en fullständig uppsättning sannolikheter. Det innebär också en mödosam process för att karakterisera mätanordningarna och anpassa dem till källan till kvantpartiklarna.

Självtestning är mer effektiv, kräver färre mätningar. Det är också 'enhetsoberoende', eller som blindtomografi - behöver ingen karakterisering av mätanordningen, så länge som enheten garanterat detekterar de flesta partiklarna. Detta beror på att fingeravtrycket är ett mönster av resultat över mätningar av de två partiklarna som bara konsekvent kan skapas av de konstiga korrelationerna i kvanttillståndet, inte av någon klassisk process eller av en slump. Att se detta mönster betyder då att kvanttillståndet måste vara närvarande.

Det berömda "CHSH -experimentet" i kvantfysik är ett exempel på fingeravtryck för ett kvanttillstånd på två qubits. För att bevisa att fingeravtryckstest finns för alla två-qudit-stater, författarna visade att dessa tillstånd kan betraktas som sammansatta av block av system på två nivåer, besläktad med qubits. Ännu bättre, denna matematiska ekvivalens pekar på vilka mätningar som behövs - även om det ännu inte är klart om de är experimentellt vänliga att göra.

Teamet hoppas att denna upptäckt kommer att motivera en ny våg av forskning för att hitta enkla sätt att införliva denna kontroll i experiment eller enheter. Än så länge, tecknen är bra. "Av allt mitt arbete under de senaste fem åren, detta har väckt mest uppmärksamhet, "säger Scarani. Förutom att höra från kollegor som är intresserade av resultatet, han har blivit inbjuden att hålla ett tal om självtest vid QCrypt, en årlig konferens om kvantkryptografi som hålls i år i Storbritannien i september.