1Quantum Optics Theory Group, Universität Basel, CH-4056 Basilea, Suiza
2Département de Physique Appliquée, Université de Genève, CH-1211 Genève, Suiza
¿Encuentra este documento interesante o quiere discutirlo? Scite o deje un comentario en SciRate.
Resumen
Las certificaciones independientes del dispositivo emplean pruebas de Bell para garantizar el correcto funcionamiento de un aparato a partir del conocimiento exclusivo de las estadísticas de medición observadas, es decir, sin suposiciones sobre el funcionamiento interno de los dispositivos. Cuando estas pruebas de Bell se implementan con dispositivos que tienen una eficiencia demasiado baja, uno tiene que seleccionar posteriormente los eventos que conducen a detecciones exitosas y, por lo tanto, confiar en un supuesto de muestreo justo. La pregunta que abordamos en este documento es qué queda de una certificación independiente del dispositivo bajo un muestreo justo. Proporcionamos una descripción intuitiva de las selecciones posteriores en términos de $ filtros $ y definimos el supuesto de muestreo justo como una propiedad de estos filtros, equivalente a la definición introducida en la Ref. [1] Cuando se cumple este supuesto, los datos post-seleccionados se reproducen mediante un experimento ideal en el que los dispositivos sin pérdida miden un estado $ filtrado $ que se puede obtener del estado $ real a través de mapas probabilísticos locales. Por lo tanto, se pueden obtener conclusiones confiables sobre las propiedades cuánticas de este estado filtrado y las estadísticas de medición correspondientes se pueden usar de manera confiable, por ejemplo, para la generación de aleatoriedad o la distribución de claves cuánticas. También exploramos una noción más fuerte de muestreo justo que lleva a la conclusión de que los datos post-seleccionados son una representación justa de los datos que se obtendrían con detecciones sin pérdidas. Además, mostramos que nuestras conclusiones son válidas en casos de pequeñas desviaciones del muestreo justo exacto. Finalmente, describimos configuraciones previamente o potencialmente utilizadas en experimentos de tipo Bell bajo muestreo justo e identificamos los supuestos específicos del dispositivo subyacente.
Resumen popular
La independencia del dispositivo es otra característica sorprendente de la mecánica cuántica. A veces es posible garantizar que un conjunto de dispositivos esté funcionando de acuerdo con las especificaciones previstas sin tener que "mirar hacia adentro" para descubrir cómo funcionan exactamente. La idea central es que una violación, por un margen suficientemente grande, de una desigualdad de Bell es suficiente para certificar que el enredo debe estar presente dentro de los dispositivos que se utilizan en la prueba de Bell. Estas pruebas de Bell se pueden incorporar en un protocolo más complicado que permita realizar tareas prácticamente útiles, como la producción de números verdaderamente aleatorios certificados o la distribución segura de claves utilizando solo dispositivos cuánticos no confiables.
Sin embargo, hay un desafío tecnológico difícil por delante, a saber, para que muchos de estos protocolos funcionen, la desigualdad de Bell debe ser violada por un amplio margen: el valor observado experimentalmente del operador de Bell debe ser mucho más alto que el valor alcanzable clásico. Esto supone una carga adicional en la realización de estos protocolos, en la medida en que, por ejemplo, hasta el día de hoy no ha habido una demostración experimental de un protocolo de distribución de claves cuánticas totalmente independiente del dispositivo. El principal obstáculo para estos objetivos es alcanzar una preparación de fotones y una eficiencia del detector suficientemente altas. La situación es similar al estado de las pruebas experimentales de Bell en el pasado, cuando la baja eficiencia era uno de los principales factores limitantes para no tener escapatorias. No obstante, muchos experimentos de Bell con fotones que producen una gran violación de Bell se han realizado antes de 2015, utilizando el supuesto supuesto de "muestreo justo". La idea es que, de acuerdo con este supuesto, los eventos de no detección son localmente aleatorios y no dependen del estado cuántico del fotón entrante, por lo tanto, la selección posterior de los casos en los que los detectores hacen clic en una muestra imparcial del original datos.
La pregunta que abordamos en nuestro trabajo, entonces, es si es posible utilizar el supuesto de muestreo justo también en el nuevo contexto de certificaciones independientes del dispositivo para permitir la implementación de experimentos que de otra manera serían imposibles con la tecnología actualmente existente. La pregunta es delicada, ya que uno debe distinguir claramente entre las propiedades de los dispositivos que se supone que se conocen, para satisfacer un muestreo justo, de las propiedades que queremos certificar de manera independiente del dispositivo. En nuestro trabajo, mostramos que tal distinción es posible y, además, que solo se requiere una caracterización física parcial del dispositivo para estar seguros de que se mantiene un muestreo justo. Introducimos una formulación totalmente cuántica y general de muestreo justo en la que la prueba de seguridad y corrección es particularmente simple y atractiva, derivada de una equivalencia entre el experimento "en el laboratorio" y un experimento cuántico ideal que utiliza fuentes y detectores de fotones sin pérdida. Además, realizamos un análisis cuidadoso de lo que sucede en el caso en el que el supuesto solo se cumple aproximadamente, lo que siempre sucederá en cualquier situación del mundo real. Creemos que nuestro estudio del muestreo justo aproximado podría ser particularmente útil para el análisis de los próximos experimentos, ya que este aspecto se ha descuidado en varias demostraciones recientes de prueba de principio de protocolos independientes del dispositivo que han asumido que el muestreo justo se cumple exactamente.
► datos BibTeX
► referencias
[ 1 ] DW Berry, H. Jeong, M. Stobińska y TC Ralph, la suposición de muestreo justo no es necesaria para probar el realismo local, Physical Review A 81 (1), 012109 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012109
[ 2 ] RH Hadfield, detectores de fotón único para aplicaciones de información cuántica óptica, Nature Photonics 3 (12), 696–705 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2009.230
[ 3 ] JF Clauser, MA Horne, A. Shimony y RA Holt, Experimento propuesto para probar teorías locales de variables ocultas, Physical Review Letters 23 (15), 880–884 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.23.880
[ 4 ] JF Clauser y MA Horne, Consecuencias experimentales de teorías locales objetivas, Physical Review D 10 (2), 526–535 (1974).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.10.526
[ 5 ] PM Pearle, ejemplo de variables ocultas basado en el rechazo de datos, Physical Review D 2 (8), 1418–1425 (1970).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.2.1418
[ 6 ] A. Garg y ND Mermin, ineficiencias del detector en el experimento de Einstein-Podolsky-Rosen, Physical Review D 35 (12), 3831-3835 (1987).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.35.3831
[ 7 ] S. Massar y S. Pironio, Violación del realismo local versus eficiencia de detección, Physical Review A 68 (6), 062109 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.68.062109
[ 8 ] E. Pomarico, B. Sanguinetti, P. Sekatski, H. Zbinden y N. Gisin, Amplificación experimental de un fotón enredado: ¿qué pasa si se ignora la laguna de detección? New Journal of Physics 13 (6), 063031 (2011).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/6/063031
[ 9 ] I. Gerhardt, Q. Liu, A. Lamas-Linares, J. Skaar, V. Scarani, V. Makarov y C. Kurtsiefer, Fingiendo experimentalmente la violación de las desigualdades de Bell, Physical Review Letters 107 (17), 170404 (2011 )
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.170404
[ 10 ] J. Romero, D. Giovannini, DS Tasca, SM Barnett y MJ Padgett, Correlación a medida de dos fotones y muestreo justo: una historia de advertencia, New Journal of Physics 15 (8), 083047 (2013).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/15/8/083047
[ 11 ] J. Jogenfors, AM Elhassan, J. Ahrens, M. Bourennane y J. Å. Larsson Hackear la prueba de Bell usando luz clásica en la distribución de claves cuánticas basada en el entrelazamiento de energía-tiempo, Science Advances 1 (11), 1500793 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.1500793
[ 12 ] J. Jogenfors, Rompiendo lo irrompible: explotando las lagunas en el teorema de Bell para hackear la criptografía cuántica, Linköping University Electronic Press (2017).
https: / / doi.org/ 10.3384 / diss.diva-140912
[ 13 ] B. Hensen y col. al., Violación de la desigualdad de Bell sin escapatorias utilizando espines de electrones separados por 1.3 kilómetros, Nature 526, 682 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15759
[ 14 ] LK Shalm et. al., Prueba fuerte y sin escapatorias del realismo local, Physical Review Letters 115 (25), 250402 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.250402
[ 15 ] M. Giustina y col. al., Prueba sin vacíos significativos del teorema de Bell con fotones enredados, Physical Review Letters 115 (25), 250401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.250401
[ 16 ] W. Rosenfeld, D. Burchardt, R. Garthoff, K. Redeker, N. Ortegel, M. Rau y H. Weinfurter, prueba de Bell lista para eventos utilizando átomos entrelazados que cierran simultáneamente la detección y las lagunas de la localidad, Physical Review Letters 119 (1 ), 010402 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.010402
[ 17 ] MH Li, C. Wu, Y. Zhang, WZ Liu, B. Bai, Y. Liu, W. Zhang, Q. Zhao, H. Li, Z. Wang, L.Usted, WJ Munro, J. Yin, J Zhang, C.-Z. Peng, X. Ma, Q. Zhang, J. Fan y J.-W. Pan, Prueba del realismo local en el pasado sin detección y lagunas en la localidad, Physical Review Letters 121 (8), 080404 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.080404
[ 18 ] D. Mayers y A. Yao, Aparato cuántico de autocomprobación, arXiv: quant-ph / 0307205.
arXiv: quant-ph / 0307205
[ 19 ] I. Šupić, y J. Bowles, Autotest de sistemas cuánticos: una revisión, arxiv: quant-ph / 1904.10042.
arXiv: 1904.10042
[ 20 ] A. Acín, N. Brunner, N. Gisin, S. Massar, S. Pironio y V. Scarani, Seguridad de criptografía cuántica independiente del dispositivo contra ataques colectivos, Physical Review Letters 98 (23), 230501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.230501
[ 21 ] S. Pironio, A. Acín, N. Brunner, N. Gisin, S. Massar y V. Scarani, Distribución de claves cuánticas independiente del dispositivo segura contra ataques colectivos, New Journal of Physics 11 (4), 045021 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045021
[ 22 ] M. McKague, TH Yang y V. Scarani, autoevaluación robusta del singlete, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 45 (45), 455304 (2012).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/45/45/455304
[ 23 ] J. Kaniewski, límites de autoevaluación analíticos y casi óptimos para las desigualdades Clauser-Horne-Shimony-Holt y Mermin, Physical Review Letters 117 (7), 070402 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.070402
[ 24 ] P. Sekatski, J.-D. Bancal, S. Wagner y N. Sangouard, Certificando los componentes básicos de las computadoras cuánticas del teorema de Bell, Physical Review Letters 121 (18), 180505 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.180505
[ 25 ] J.-D. Bancal, K. Redeker, P. Sekatski, W. Rosenfeld y N. Sangouard, Certificación independiente del dispositivo de un enlace de red cuántica elemental, arXiv:quant
-tel/1812.09117.
arXiv: 1812.09117
[ 26 ] R. Colbeck y A. Kent, Expansión de aleatoriedad privada con dispositivos no confiables, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 44 (9), 095305 (2011).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/44/9/095305
[ 27 ] A. Acín y L. Masanes, Aleatoriedad certificada en física cuántica, Nature 540, 213 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature20119
[ 28 ] G. Weihs, T. Jennewein, C. Simon, H. Weinfurter y A. Zeilinger, Violación de la desigualdad de Bell en condiciones estrictas de localidad de Einstein, Physical Review Letters 81 (23), 5039 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.81.5039
[ 29 ] DL Moehring, MJ Madsen, BB Blinov y C. Monroe, violación de desigualdad de Bell experimental con un átomo y un fotón, Physical Review Letters 93 (9), 090410 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.93.090410
[ 30 ] S. Gómez, A. Mattar, I. Machuca, ES Gómez, D. Cavalcanti, OJ Farías, A. Acín y G. Lima, Investigación experimental de estados parcialmente enredados para la generación de aleatoriedad independiente del dispositivo y protocolos de autoevaluación, Físico Revisión A 99 (3), 032108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032108
[ 31 ] KT Goh, C. Perumangatt, ZX Lee, A. Ling y V. Scarani, Comparación experimental de tomografía y autoevaluación para certificar enredos, Physical Review A 100 (2), 022305 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.022305
[ 32 ] E. Polino, I. Agresti, D. Poderini, G. Carvacho, G. Milani, GB Lemos, R. Chaves y F. Sciarrino, Certificación independiente del dispositivo de un experimento cuántico de elección retrasada, arXiv: quant-ph / 1806.00211 .
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.022111
arXiv: 1806.00211
[ 33 ] I. Agresti, D. Poderini, L. Guerini, M. Mancusi, G. Carvacho, L. Aolita, D. Cavalcanti, R. Chaves y F. Sciarrino, generación de aleatoriedad certificada independiente del dispositivo experimental con una estructura causal instrumental, arXiv: quant-ph / 1905.02027.
arXiv: 1905.02027
[ 34 ] N. Brunner, D. Cavalcanti, S. Pironio, V. Scarani y S. Wehner, no localidad de Bell, Reviews of Modern Physics 86 (2), 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419
[ 35 ] QY He, EG Cavalcanti, MD Reid y PD Drummond, Desigualdades de Bell para mediciones de variables continuas, Physical Review A 81 (6), 062106 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062106
[ 36 ] MA Nielsen e I. Chuang, Computación cuántica e información cuántica, Cambridge University Press (2002).
[ 37 ] D. Rosset, R. Ferretti-Schöbitz, J.-D. Bancal, N. Gisin e Y.-C. Liang, ajustes de medición imperfectos: implicaciones para la tomografía de estado cuántico y testigos de enredo, Physical Review A 86 (6), 062325 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.86.062325
[ 38 ] R. Schmied, J.-D. Bancal, B. Allard, M. Fadel, V. Scarani, P. Treutlein y N. Sangouard, Bell Correlations in a Bose-Einstein Condensate, Science 352, 441 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevD.10.526
[ 39 ] N. Gisin, no localidad cuántica oculta revelada por filtros locales, Physics Letters A 210 (3), 151-156 (1996).
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(96)80001-6
[ 40 ] R. Rabelo, M. Ho, D. Cavalcanti, N. Brunner y V. Scarani, Certificación independiente del dispositivo de mediciones entrelazadas, Physical Review Letters 107 (5), 050502 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.050502
[ 41 ] J.-D. Bancal, N. Sangouard y P. Sekatski, certificación independiente del dispositivo resistente al ruido de las mediciones del estado de Bell, Physical Review Letters 121 (25), 250506 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.250506
[ 42 ] MO Renou, J. Kaniewski y N. Brunner, Autoevaluación de mediciones entrelazadas en redes cuánticas, Physical Review Letters 121 (25), 250507 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.121.250507
[ 43 ] D. Cavalcanti y P. Skrzypczyk, Dirección cuántica: una revisión centrada en la programación semidefinida, Reports on Progress in Physics 80 (2), 024001 (2016).
https://doi.org/10.1088/1361-6633/80/2/024001
[ 44 ] J. Barrett, R. Colbeck y A. Kent, ataques de memoria en criptografía cuántica independiente del dispositivo, Physical Review Letters 110 (1), 010503 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.010503
[ 45 ] J. Müller-Quade y R. Renner, Composability in quantum cryptography, New Journal of Physics 11 (8), 085006 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/8/085006
[ 46 ] L. Lydersen, C. Wiechers, C. Wittmann, D. Elser, J. Skaar y V. Makarov, piratería de sistemas comerciales de criptografía cuántica mediante iluminación brillante adaptada, Nat. Photonics 4 (10), 686-689 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2010.214
[ 47 ] S. Pironio, A. Acín, S. Massar, AB de La Giroday, DN Matsukevich, P. Maunz, S. Olmschenk, D. Hayes, L. Luo, TA Manning y C. Monroe, números aleatorios certificados por el teorema de Bell , Nature 464, 1021 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09008
[ 48 ] Z. Cao, H. Zhou, X. Yuan y X. Ma, generación de números aleatorios cuánticos independientes de la fuente, Physical Review X 6 (1), 011020 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.6.011020
[ 49 ] CA Miller e Y. Shi, protocolos robustos para expandir de manera segura la aleatoriedad y distribuir claves utilizando dispositivos cuánticos no confiables, Journal of the ACM 63 (4), 33 (2016)
https: / / doi.org/ 10.1145 / 2885493
[ 50 ] CCW Lim, C. Portmann, M. Tomamichel, R. Renner y N. Gisin, Distribución de clave cuántica independiente del dispositivo con prueba de Bell local, Physical Review X 3 (3), 031006 (2013).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.
3.031006
[ 51 ] U. Vazirani, y T. Vidick, Distribución de clave cuántica totalmente independiente del dispositivo, Physical Review Letters 113 (14), 140501 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.113.140501
[ 52 ] R. Arnon-Friedman, R. Renner y T. Vidick, Pruebas de seguridad simples e independientes del dispositivo, SIAM Journal on Computing 48 (1), 181-225 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 18M1174726
[ 53 ] A. Aspect, J. Dalibard y G. Roger, Prueba experimental de las desigualdades de Bell utilizando analizadores variables en el tiempo, Physical Review Letters 49 (25), 1804 (1982).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.49.1804
[ 54 ] Scully, MO y Zubairy, MS, óptica cuántica, Cambridge University Press (1999).
[ 55 ] F. Flamini, N. Spagnolo y F. Sciarrino, Procesamiento de información cuántica fotónica: una revisión, 016001 (2018).
https://doi.org/10.1088Reports%20on%20Progress%20in%20Physics%20textbf82(1)
[ 56 ] S. Slussarenko y GJ Pryde, Procesamiento de información cuántica fotónica: una revisión concisa, arXiv: quant-ph / 1907.06331.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5115814
arXiv: 1907.06331
Citado por
[1] Zhihao Bian, AS Majumdar, C. Jebarathinam, Kunkun Wang, Lei Xiao, Xiang Zhan, Yongsheng Zhang y Peng Xue, "Demostración experimental de la autocomprobación independiente de un solo lado de cualquier estado puro de dos qubits enredados ", Revisión física A 101 2, 020301 (2020).
[2] Santiago Tarrago Vélez, Vivishek Sudhir, Nicolas Sangouard y Christophe Galland, "Espectroscopía de correlación de campana de vibraciones moleculares colectivas", arXiv: 1912.04502.
Las citas anteriores son de ANUNCIOS SAO / NASA (última actualización exitosa 2020-03-02 14:16:08). La lista puede estar incompleta ya que no todos los editores proporcionan datos de citas adecuados y completos.
No se pudo recuperar Crossref citado por datos durante el último intento 2020-03-02 14:16:07: No se pudieron obtener los datos citados por 10.22331 / q-2020-03-02-238 de Crossref. Esto es normal si el DOI se registró recientemente.
Este documento se publica en Quantum bajo el Creative Commons Reconocimiento 4.0 Internacional (CC BY 4.0) licencia. Los derechos de autor permanecen con los titulares de derechos de autor originales, como los autores o sus instituciones.
Fuente: https://quantum-journal.org/papers/q-2020-03-02-238/
