Ein Team unter der Leitung von Prof. Li Chuanfeng und Prof Die Universität von Sevilla untersuchte die Einzelsystemversion der mehrteiligen Bell-Nichtlokalität und beobachtete den höchsten Grad an Quantenkontextualität in Einzelsystemen. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Quantenkontextualität bezieht sich auf das Phänomen, dass die Messungen von Quantenobservablen nicht einfach als Aufdeckung bereits vorhandener Eigenschaften betrachtet werden können. Es ist ein besonderes Merkmal der Quantenmechanik und eine entscheidende Ressource für die Quantenberechnung. Die Kontextualität widersetzt sich den Nichtkontextualitätstheorien mit versteckten Variablen und ist eng mit der Quanten-Nichtlokalität verbunden.
In mehrteiligen Systemen entsteht Quanten-Nichtlokalität als Ergebnis des Widerspruchs zwischen Quantenkontextualität und Nichtkontextualitätstheorien mit versteckten Variablen. Das Ausmaß der Nichtlokalität kann anhand der Verletzung der Bell-Ungleichung gemessen werden, und frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verletzung exponentiell mit der Anzahl der beteiligten Quantenbits zunimmt. Obwohl hochdimensionale Einzelpartikelsysteme im Vergleich zu mehrteiligen Systemen mehr Möglichkeiten für Messungen bieten, bleibt das Bestreben, die Robustheit der kontextuellen Korrelation zu verbessern, eine ständige Herausforderung.
Um eine robustere Quantenkontextualität in Einzelteilchensystemen zu beobachten, wählten die Forscher einen graphentheoretischen Ansatz für Quantenkorrelationen. Sie verknüpften die Kommutierungsbeziehungen zwischen Messungen, die in Nichtlokalitätskorrelationen verwendet werden, mit einem Exklusivitätsgraphen und suchten dann nach einem anderen Satz von Messungen im einzelnen hochdimensionalen System, deren Kommutierungsbeziehung isomorph zum Graphen ist. Dieser Ansatz quantifiziert die nichtklassischen Eigenschaften von Quantenkorrelationen vollständig mithilfe von Graphparametern.
Die Forscher fanden heraus, dass nach der Transformation der Mermin-Ardehali-Belinskii-Klyshko (MABK) Bell-Ungleichung in eine Nichtkontextualitätsungleichung unter Verwendung des obigen Ansatzes die maximale Verletzung dieselbe ist, aber die erforderliche Hilbert-Raumdimension kleiner ist als die Dimension der ursprünglichen Bell-Ungleichung . Weitere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass dieses Phänomen der Kontextualitätskonzentration, bei dem die Kontextualität von nichtlokalen Korrelationen zu hochdimensionalen Einzelpartikelkorrelationen übergeht, innerhalb einer Klasse von nichtlokalen Korrelationen, die das Team zuvor entdeckt hatte, weit verbreitet ist.
In dem Experiment entwickelten die Forscher eine räumliche Lichtmodulationstechnik, um eine hochpräzise Quantenzustandsvorbereitung und -messung in einem siebendimensionalen Quantensystem basierend auf der Kodierung räumlicher Photonenmodi zu erreichen.
Indem sie eine minimale Störung zwischen den ersten und nachfolgenden Messungen sicherstellten, stellten sie einen Verstoß von mehr als 68 Standardabweichungen in der Nichtkontextualitätsungleichung fest, die aus der Drei-Parteien-MABK-Ungleichung abgeleitet wurde. Das Verhältnis zwischen dem Quantenverletzungswert und dem klassischen Grenzwert erreichte 0,274 und stellte damit einen neuen Rekord für das höchste Verhältnis in Einzelteilchen-Kontextualitätsexperimenten auf.
Die Entdeckung der Quantenkontextualitätskonzentration legt nicht nur den Grundstein für die Beobachtung weiterer Quantenkorrelationen, sondern birgt auch das Potenzial, die Realisierung der Quantenberechnung in verschiedenen physikalischen Systemen voranzutreiben.
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Zheng-Hao Liu et al., Experimenteller Test der hochdimensionalen Quantenkontextualität basierend auf der Kontextualitätskonzentration, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240202