[论文解读] Opening the black box: physical characterization from nonlocal correlations

Jean-Daniel Bancal, Miguel Navascués+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用 2

一句话总结

本文提出SWAP，一种新颖的理论框架，仅通过观测到的测量统计即可对作为黑箱处理的量子系统进行物理表征。结合半定规划，该方法显著收紧了对量子特性的约束——例如当CHSH悖离大于2.57时，singlet保真度可超过70%——并实现了对非最大纠缠的两-三态（two-qutrit）态及纠缠测量的装置无关自测，即使在以往方法失效的情境下亦可实现。

ABSTRACT

In the device-independent approach to quantum information theory, quantum systems are regarded as black boxes which, given an input (the measurement setting), return an output (the measurement result). These boxes are then treated regardless of their actual internal working. In this paper, we develop SWAP, a theoretical concept which, in combination with the tool of semi-definite methods for the characterization of quantum correlations, allows us to estimate physical properties of the black boxes from the observed measurement statistics. We find that the SWAP tool provides bounds orders of magnitude better than previously-known techniques (e.g.: for a CHSH violation larger than 2.57, SWAP predicts a singlet fidelity greater than 70%). This method also allows us to deal with hitherto intractable cases such as robust device-independent self-testing of non-maximally entangled two-qutrit states in the CGLMP scenario (for which Jordan's Lemma does not apply) and the device-independent certification of entangled measurements. We further apply the SWAP method to relate nonlocal correlations to work extraction and quantum dimensionality, hence demonstrating that this tool can be used to study a wide variety of properties relying on the sole knowledge of accessible statistics.

研究动机与目标

• 克服现有装置无关方法在表征非最大纠缠态与纠缠测量方面的局限性。
• 开发一种工具，使无需了解系统内部结构即可对量子系统进行物理表征。
• 将装置无关自测扩展至乔丹引理不适用的情境，例如两-三态系统的CGLMP场景。
• 仅通过观测统计，将非局域关联与工作提取和量子维度等基本量子特性联系起来。
• 提供比以往方法更紧、更精确的量子系统特性约束边界。

提出的方法

• 引入SWAP框架作为理论工具，将观测到的非局域关联映射为量子系统的物理特性。
• 利用半定规划技术表征量子关联，并推导物理参数的边界。
• SWAP可基于CHSH悖离数据估计与最大纠缠态（如singlet态）的保真度。
• 该方法应用于CGLMP场景，实现了对非最大纠缠两-三态的装置无关自测。
• 其应用扩展至纠缠测量的认证，并将非局域性与工作提取及量子维度联系起来。
• 该方法完全基于装置无关范式，仅依赖观测统计，不假设系统内部结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用非局域关联在不了解系统内部结构的前提下推断量子系统的物理特性？
• RQ2 在乔丹引理不适用的CGLMP场景中，能否实现对非最大纠缠两-三态的装置无关自测？
• RQ3 如何在装置无关的前提下将非局域关联与工作提取及量子维度联系起来？
• RQ4 与现有技术相比，该方法在保真度估计中可实现多大程度的边界收紧？
• RQ5 能否仅通过观测统计以装置无关方式认证纠缠测量？

主要发现

• 当CHSH悖离超过2.57时，SWAP方法预测singlet态保真度高于70%，相比以往技术有显著提升。
• 该方法实现了在CGLMP场景中对非最大纠缠两-三态的装置无关自测，此情形此前因缺乏乔丹引理而难以处理。
• SWAP促进了纠缠测量的装置无关认证，扩展了装置无关表征的适用范围。
• 该框架提供的物理特性边界比以往已知方法紧出数个数量级。
• 其成功将非局域关联与量子维度及工作提取联系起来，展示了在量子信息任务中的广泛适用性。