Louisiana State University docent i fysik Mark M. Wilde och hans medarbetare har löst ett 20 år gammalt problem inom kvantinformationsteori om hur man beräknar entanglingskostnad – ett sätt att mäta intrassling – på ett sätt som är effektivt beräkningsbart, användbar, och brett tillämpbar inom flera kvantforskningsområden.

I en ny tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , Wilde och medförfattaren Dr. Xin Wang från Baidu Research beskriver hur att tillåta ett lite bredare utbud av fysiska operationer än vad som är känt som LOCC (lokal verksamhet och klassisk kommunikation) – som har förvirrat kvantforskare med svår matematik under en tid – gör det möjligt för att karakterisera den exakta intrasslingskostnaden för ett givet kvanttillstånd. Deras arbete avslutar en långvarig undersökning inom intrasslingsteori som är känd som "PPT:s exakta intrasslingskostnad för ett kvanttillstånd."

Kvantinformationsvetenskapen syftar till att förstå och kontrollera de märkliga och ibland kusliga egenskaperna hos kvanttillstånd (det vill säga, intrasslade tillstånd) som möjliggör informationsbearbetningsuppgifter som är omöjliga i icke-kvantvärlden, såsom teleportering, kvantberäkning, och absolut säker kommunikation.

Den mest grundläggande enheten för intrassling är känd som en Bell state. Du kan se det som den minsta möjliga molekylen som består av två intrasslade atomer (qubits, verkligen) vars förveckling är absolut – vilket innebär, om du kunde kika på en av dem, du skulle utom allt tvivel veta att den andra skulle vara dess tvilling, med samma egenskaper. Som två personer som slår ett mynt; om en person får svansar, vilket rimligen är en 50/50 chans, den andra skulle garanterat få svansar (eller så får de båda huvuden, samma sak), en konsekvens av absolut intrassling eller ett Bell-tillstånd. Dessutom, ingen annan i universum kan veta det exakta resultatet av myntkastningen, och detta är den främsta anledningen till att säker kommunikation baserad på kvantintrassling är möjlig och önskvärd.

"Kvantuminttrassling är en sorts superkorrelation som två avlägsna parter delar, Wilde förklarade. "Om världen endast beskrevs av klassisk fysik, då skulle det inte vara möjligt att ha de starka korrelationerna tillgängliga med kvantentanglement. Dock, vår värld är i grunden kvantmekanisk, och intrassling är ett väsentligt inslag i det."

När kvantintrassling först upptäcktes på 1930-talet, det ansågs vara till besvär eftersom det var svårt att förstå, och oklart vilka fördelar det skulle vara. Men med uppkomsten av kvantinformationsvetenskap på 1990-talet, det förstods i teoretisk mening som nyckeln till anmärkningsvärda kvantteknologier. Nya exempel på sådan teknik inkluderar det kinesiska teleporteringsexperimentet från mark till satellit 2017 samt Googles kvantberäkningsöverlägsenhet förra året.

På LSU, Kvantfysiker som Omar Magaña-Loaiza och Thomas Corbitt utför rutinmässigt experiment som kan dra nytta av Wilde och Wangs nya och mer exakta mått. I sina respektive labb, Magaña-Loaiza genererade nyligen intrasslade tillstånd via villkorliga mätningar, som utgör ett viktigt steg i utvecklingen av intrasslade laserliknande system, medan Corbitt utförde en studie av optomekanisk intrassling, som har potentialen att vara en tillförlitlig källa för multifotontrassling vid korta våglängder. Wilde och Wangs nya förvecklingsmått, kallas κ entanglement eller max-logaritmisk negativitet, kan användas för att bedöma och kvantifiera förvecklingen som produceras i ett brett utbud av kvantfysiska experiment.

Grundläggande entanglement-enheter eller Bell-tillstånd är också kända som e-bitar. Entanglement kan ses på två olika sätt:antingen hur många e-bitar det skulle ta för att förbereda ett kvanttillstånd, eller hur många e-bitar man skulle kunna extrahera eller "destillera" från ett komplext intrasslat tillstånd. Den förra är känd som entanglement cost och är problemet som Wilde och Wang ansåg.

"E-bitar är en värdefull resurs och du vill använda så få av dem som möjligt, " sa Wilde. "Inom fysik, man vill ofta titta på både framåt- och bakåtprocessen. Är det reversibelt? Och om det är, tappar jag något på vägen? Och svaret på det är ja."

Wilde medger att problemet han och Wang har löst är något esoteriskt – ett matematiskt trick. Dock, det kommer att göra det möjligt för kvantinformationsforskare att effektivt beräkna sammantrasslingskostnader givet vissa begränsningar.

"Inte alla sammantrasslingsåtgärder är effektivt beräkningsbara och har en betydelse som sammantrasslingskostnad. Det är en nyckelskillnad mellan allt tidigare arbete och vårt, " tillade Wilde.

Medan avsaknaden av den här typen av mått har varit en akilleshäl inom kvantinformationsvetenskapen i över 20 år, det var – ironiskt nog – att Wilde blev max-negativt "intrasslad" under en basketmatch 2018 som ledde till att han och Wang så småningom löste problemet.

"Jag sprack min akilleshäl när jag gick för att vinna matchen, opererades sedan för att reparera det, och kunde inte gå upp ur sängen på en och en halv månad, Wilde minns. Jag skrev en forskningsartikel om entanglement cost, och när Xin Wang fick reda på det, han frågade mig om jag skulle vara intresserad av att utveckla detta problem ytterligare. Sedan började vi arbeta tillsammans, fram och tillbaka, och det blev tidningen vi nu har publicerat i Fysiska granskningsbrev . Vi blev goda vänner och samarbetspartners efter det - det är anmärkningsvärt vilka överraskningar som kan inträffa i livet."