Bagaimana Komputer Quantum (jaringan) melakukan tes Bell bebas celah?

Dalam bentuk yang sederhana, teorema Bell menyatakan bahwa:

Tidak ada teori fisik variabel tersembunyi lokal yang dapat mereproduksi semua prediksi mekanika kuantum.

Bell mengembangkan serangkaian ketidaksetaraan untuk memberikan contoh eksperimental khusus untuk membedakan antara prediksi teori apa pun yang mengandalkan variabel tersembunyi lokal dan orang-orang dari mekanika kuantum . Dengan demikian, percobaan ketidaksetaraan uji Bell adalah kepentingan mendasar dalam mekanika kuantum. Namun, jika seseorang ingin melakukan hal-hal dengan benar, ia menyadari bahwa ada sejumlah celah yang memengaruhi, dalam derajat yang berbeda , semua percobaan yang mencoba melakukan tes Bell . [1] Eksperimen yang mencoba menutup celah ini cenderung menjadi unik daripada rutin. . Salah satu hasil dari memiliki komputer kuantum untuk tujuan umum, atau jaringannya, adalah kemampuan untuk secara rutin melakukan eksperimen kuantum yang canggih.

Pertanyaan: Persyaratan apa yang harus memenuhi komputer kuantum tujuan umum (jaringan) untuk dapat mengimplementasikan tes Bell yang setidaknya bebas celah seperti realisasi terbaik yang telah dilakukan sejauh ini ?

Untuk kejelasan: idealnya jawaban terbaik akan mengambil pendekatan komputasi kuantum dan berisi detail dekat-ke-rekayasa, atau setidaknya dekat dengan arsitektur. Misalnya, dengan menulis eksperimen sebagai rangkaian kuantum sederhana, salah satu arsitektur saat ini dapat dipilih dan dari situ seseorang akan membuat beberapa perkiraan urutan-realistis yang besar hingga waktu yang diperlukan dari gerbang / pengukuran kuantum yang berbeda dan dari fisik yang diperlukan. jarak antara qubit yang berbeda.

[1] Sebagaimana dikomentari oleh @kludg, telah diperdebatkan bahwa ".. tidak ada eksperimen, yang sama idealnya dengan itu, dapat dikatakan benar-benar bebas celah. ", Lihat Sudut Pandang: Menutup Pintu pada Einstein dan Debat Kuantum Bohr

Ketika orang berbicara tentang tes Bell bebas celah, yang sebenarnya mereka maksud adalah bahwa dua celah yang paling menjadi perhatian sebagian besar orang ditutup secara bersamaan: celah pengukuran dan celah lokalitas.

Mari kita tinjau protokol secara singkat:

• Negara Bell diproduksi, dan dua pihak, Alice dan Bob, masing-masing mengambil satu qubit.$(|00\rangle+|11\rangle)/\sqrt{2}$

• Alice dan Bob harus dipisahkan oleh jarak .$d$

• Alice dan Bob masing-masing memilih nilai bit acak.

• Jika nilai bit acak Alice, , adalah 0, ia mengukur qubitnya dengan basisJika 1, ia mengukur dalam basisHasil pengukurannya sedikit, dicatat dalam variabel .$x$$Z$$X$$A_x$

• Jika nilai bit acak Bob adalah , ia mengukur dalam basis . Hasil pengukurannya sedikit, dicatat dalam variabel .$y\in\{0,1\}$$(Z+(-1)^yX)/\sqrt{2}$$B_y$

• Alice dan Bob mengulangi ini berkali-kali, dan mengevaluasi nilai yang diharapkan dari

  $$S=A_0(B_0+B_1)+A_1(B_0-B_1).$$

Menutup celah lokalitas mensyaratkan bahwa kedua pihak yang mengambil bagian dipisahkan oleh jarak sedemikian rupa sehingga waktu antara basis pengukuran Alice yang dipilih, dan jawaban Bob yang diberikan kurang dari , di mana adalah kecepatan cahaya ( sehingga tidak mungkin musuh yang memilih jawaban Bob dapat mengetahui dasar pengukuran Alice). Ini juga mensyaratkan, secara simetris, bahwa jawaban Alice diberikan selambat-lambatnya setelah pilihan pengukuran Bob dibuat.$d$$d/c$$c$$d/c$

Menutup celah pengukuran membutuhkan penggunaan detektor yang memiliki akurasi cukup tinggi (jika tidak, musuh yang mematuhi model Variabel Tersembunyi Lokal dapat menggantikan detektor Anda dengan detektor yang lebih baik, dan menggunakan margin kesalahan untuk membuang hasil yang akan mengkhianati kehadiran menguping / manipulasi). Nilai tepat dari ambang ini tergantung pada formulasi tes Bell yang tepat. Nilai yang umumnya dikutip adalah efisiensi detektor sekitar untuk tes CHSH.$83\%$

Baru-baru ini, ada percobaan yang telah menutup kedua celah ini secara bersamaan. Lihat di sini , misalnya. Hasil mereka cukup baik sehingga mereka dapat mengukur kemungkinan ada model variabel tersembunyi lokal yang menggambarkan hasil mereka ($P=0.039$). Pada akhirnya, jika Anda ingin melakukan yang lebih baik, Anda memerlukan perangkat yang berkinerja lebih baik daripada milik mereka, atau untuk menjalankan lebih banyak percobaan. Itu, mungkin, sekarang tantangan eksperimental utama; untuk meningkatkan kecepatan perangkat semacam itu sehingga tidak butuh 18 hari untuk menghasilkan 245 percobaan! Eksperimen ini juga mengklaim menghilangkan celah kebebasan memilih, di mana orang khawatir bahwa generator bilangan acak yang digunakan untuk memilih basis pengukuran Alice dan Bob juga diatur oleh model variabel tersembunyi lokal yang sama, alih-alih menghasilkan keacakan sempurna yang tidak berkorelasi dengan sisa percobaan.

Dalam hal arsitektur komputasi kuantum untuk mengimplementasikan ini, itu bukan masalah alami: untuk komputer kuantum, orang ingin dapat membuat sebanyak mungkin koneksi dan interaksi antara qubit, yang agak kebalikan dari kebutuhan untuk pisahkan mereka dari jarak yang sangat jauh. Saya kira jenis konteks yang mulai menghasilkan skenario yang tepat adalah desain untuk komputer kuantum jebakan ion yang dapat diskalakan, di mana ada beberapa jebakan yang terpisah, masing-masing hanya berinteraksi sesekali. Jika masing-masing terpisah cukup jauh, Anda bisa memikirkan tes Bell bebas celah. Saya percaya efisiensi pengukuran dalam skenario ini cukup tinggi. Pertanyaannya kemudian adalah, seberapa jauh jarak lokasi yang berbeda ini dengan menutup lubang loop lokalitas? Saya berlindung Saya tidak melakukan perhitungan apa pun berdasarkan data nyata, tetapi saya pikir jawabannya adalah urutan kilometer, artinya sama sekali tidak masuk akal untuk satu komputer. Bagi saya, itu akan menjadi komputer yang terpisah, bekerja sangat keras untuk secara kooperatif menghitung menggunakan sumber daya minimum bersama (yaitu keterjeratan).