使用量子网络自测所有纠缠态的框架

自测试是一种很有前途的方法，仅使用收集的测量值来推断特定量子实验背后的物理原理。虽然这种方法可以用来检查二分纯纠缠态，但到目前为止，它只能应用于涉及任意数量系统的有限种类的量子态。

索邦大学，ICFO光子科学研究所和Quantinuum的研究人员最近推出了一个框架，用于量子网络辅助自测试任意数量系统的所有纯纠缠状态。他们的论文发表在《自然物理学》上，可以为未来旨在证明量子现象的研究工作提供信息。

“2014年，我是巴塞罗那安东尼奥·阿辛(Antonio Acín)小组的博士后研究员，当时第一作者Ivan Šupić和我开始一起研究自测量子态，”进行这项研究的研究人员之一Matty Hoban告诉 Phys.org。“也就是说，证明你拥有特定量子态的系统，而不信任设备并将它们视为黑匣子(称为与设备无关的设置)。这项工作的一部分涉及探索不同类型的信任场景。

在最初的合作中，Hoban和Šupić研究了量子物理学家信任他们的一些实验组件而不信任其他组件的场景。他们的目标是确定可以在这些不同情况下简化量子态认证的策略。

“当伊万拜访我时，我已经搬回英国并在牛津大学，我们开始探索一种设置，在那里你可以准备特定的，简单的量子态并信任这种准备，然后使用这些状态来探测具有更复杂的量子态的更大系统，”霍班说。“这有点像使用小磁铁(例如指南针)来表征地球的磁场。与其他作者Antonio Acín和Laia Domingo Colomer一起，我们展示了如何在称为Measurement-Device-Independent设置的设置中自测任意量子态。与此同时，伊万正在与约瑟夫·鲍尔斯、安东尼奥·阿辛和丹尼尔·卡瓦尔坎蒂合作，在这个完全黑匣子的环境中检测纠缠。

在他们的新研究中，Hoban和他的同事发现，简单量子态的自测试可能是检测纠缠的基石。具体来说，这可以通过自测试最大纠缠状态并将其传输到具有更多系统的联网场景中来实现。

结合他们的研究工作，研究人员能够在他们之前的一项工作中概述的与测量设备无关的环境中消除表征量子态准备的假设。然后，他们还与Marc-Olivier Renou合作，后者在网络场景中研究与设备无关的量子系统方面经验丰富。

“在传统的自检中，如果你想证明N方具有特定的N部分量子态，你只需要问N个器件的问题，”Hoban解释说。“但是现在想象一下，你有一个由M设备组成的大型网络，它们可以共享信息，而M可能比N大.网络辅助自检允许你提出这个更大的网络的问题，以确定少数设备的行为。在古典世界中，添加额外的设备似乎不会增加任何东西：如果我问一个人现在几点了，他们的手表不应该取决于他们是否有朋友和他们在一起。但是添加量子系统可以增加更多的东西。

量子系统和经典系统之间的显着区别在于不同系统之间的联系，特别是在量子纠缠的概念上。量子纠缠支撑着许多量子信息任务，例如量子隐形传态。

“如果我们有两个方，如果爱丽丝最初共享一个最大纠缠态，爱丽丝可以向鲍勃发送一个任意未知的量子态，”霍班说。“因此，不仅纠缠，而且最大纠缠，使我们能够将量子信息从一个政党移动到另一个政党。不仅仅是爱丽丝和鲍勃，我们可以让多方在网络中移动这些信息。

Hoban和他的同事引入的网络辅助自测试策略利用了设备可以与其他设备纠缠的事实来实现量子理论的特征，包括隐形传态。作为研究的一部分，研究人员表明，他们的策略成功地实现了任意纯量子态的自测试。

“在更基础的层面上，我们的结果表明，你可以将系统视为一个完整的黑匣子，但从与之交互的统计数据中，你可以得出结论，系统的属性是什么，”霍班说。“这有点像你要求证人重建被指控的罪犯的样子;生成的图像可能看起来非常错误或完全通用。此外，证人可能在撒谎，你不会知道。在我们的工作中，你可以通过向黑匣子提问来对系统的量子描述进行完美的重建，如果系统试图对里面的东西撒谎，你就可以抓住它。

这组研究人员最近的工作可能很快为认证量子设备和纠缠量子态开辟新的机会。值得注意的是，他们提出的技术是通用的，因此可用于自测试各种量子态，而无需进行特定的调整。霍班和他的同事们现在正在努力使他们的策略越来越适用于现实世界的问题。

“我们的结果更多的是原理证明，要求你完美地完成一些任务;我们需要考虑到一些小错误的可能性，“霍班补充道。“这在文献中被称为鲁棒自检。此外，我们使用的方法是通用的，我们希望根据特定设置调整它们以减少资源需求。我还想在委托量子计算和量子密码学中找到应用。

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