Demonstração experimental de bases inequivalentes e mutuamente imparciais para processamento de informações quânticas

Idéia básica para distinguir triplos inequivalentes de MUBs. Crédito:USTC

Grupos de pesquisa demonstraram pela primeira vez que bases mutuamente imparciais (MUBs) inequivalentes têm diferentes capacidades de extração de informações para processamento de informações quânticas. Os resultados da pesquisa foram publicados em Physical Review Letters .

Observáveis complementares, como coordenadas e momento, são conceitos centrais da mecânica quântica. As medições correspondentes são chamadas de medições mutuamente imparciais, que estão inextricavelmente ligadas aos MUBs.

Os MUBs estão profundamente relacionados tanto com o princípio da complementaridade quanto com a relação de incerteza, desempenhando um papel importante no estudo fundamental da mecânica quântica. É mostrado que nem todas as bases imparciais são equivalentes. MUBs inequivalentes podem ser construídos quando a dimensão do espaço de Hilbert é igual ou superior a 4.

A maioria dos estudos relacionados limitou-se às diferenças matemáticas de MUBs inequivalentes e raramente lida com as diferenças de dotação de MUBs inequivalentes no processamento de informações quânticas. Portanto, os pesquisadores estavam interessados em saber se MUBs desiguais apresentariam diferenças significativas no processamento de informações quânticas.

Partindo de um simples problema de estimativa quântica, os pesquisadores propuseram um novo método para distinguir as distinções operacionais entre MUBs não equivalentes. Em particular, a fidelidade da estimativa de três cópias pode distinguir entre MUBs inequivalentes em um espaço de Hilbert de dimensão 4.

Para facilitar a demonstração experimental deste método, os pesquisadores construíram dois projetos 4 com cardinalidades menores na dimensão 4, um dos quais foi gerado com o grupo de Clifford e o outro gerado por um procedimento de otimização numérica.

O conjunto de estados puros baseado em 4 designs garante que a fidelidade da estimativa não depende das transformações unitárias, refletindo assim as propriedades intrínsecas das bases imparciais.

A equipe de pesquisa, ao empregar a plataforma de medição de precisão quântica óptica multicópia de alta precisão, verificou experimentalmente que MUBs inequivalentes no espaço quadridimensional tinham diferentes capacidades de extração de informações na medição real de estados quânticos de três cópias.

Com medições mutuamente imparciais utilizadas no experimento para extração de informações de estado quântico, foi revelado que a fidelidade da estimativa estava relacionada às propriedades intrínsecas dos MUBs.

Com a seleção diferente dos MUBs, a fidelidade máxima obtida experimentalmente difere da fidelidade mínima em cerca de 4%, e respondeu bem à previsão teórica com apenas 0,16% de desvio médio.

Este estudo marca um grande avanço no estudo de MUBs inequivalentes e tem aplicações potenciais em muitas tarefas de processamento de informações quânticas, como estimativa de estado quântico, detecção de emaranhamento e comunicação quântica.

Os grupos de pesquisa incluem o Prof. Xiang Guoyong e o Prof. Hou Zhibo, liderados pelo Acadêmico Guo Guangchan da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), em colaboração com o Professor Zhu Huangjun. da Universidade Fudan,

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