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Certifying the quantum nature of complex systems from Bell's theorem

English title Certifying the quantum nature of complex systems from Bell's theorem
Applicant Sangouard Nicolas
Number 179109
Funding scheme SNSF Professorships
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2020
Approved amount 711'688.00
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Keywords (5)

quantum information; Bell inequality; quantum communication; quantum computing; certification

Lay Summary (French)

Lead
Dans les années 60, un physicien Irlandais, John Bell, étudie un scénario dans lequel deux protagonistes reçoivent des particules et les mesurent. Il découvre que la statistique des résultats de mesure satisfait une inégalité dans le cas où les particules sont décrites classiquement, alors que des particules quantiques ne sont pas limités par cette inégalité. Dans les années 90, il a été démontré que la violation de cette inégalité -- l'inégalité de Bell -- permet de connaître précisément l'état quantique des paires de particules mesurées sans connaître leur nature, sans même avoir d'information sur les processus de création et de détection de ces particules.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche
Notre objectif à long terme est de montrer comment la violation d'une inégalité de Bell peut être utilisée pour certifier la nature quantique de systèmes complexes. Ces systèmes peuvent être un ensemble d'une centaine ou même d'un millier d'atomes dont l'interaction n'est pas connu ou dont la dynamique est simplement trop compliquée pour être prédite. Nous prendrons en compte les contraintes expérimentales de sorte que nos outils puissent mener à la première expérience dans laquelle un système complexe est caractérisé par la seule statistique des résultats de mesure. En parallèle, nous étudierons le potentiel appliqué de ces outils dans le cas où ces systèmes complexes sont utilisés dans le cadre des technologies quantiques. Nos résultats permettront par exemple de certifier le bon fonctionnement des futures ordinateurs quantiques ou des réseaux de communications offrant une sécurité très avancée, indépendamment de la façon dont ces technologies du future seront réalisées. 

Contexte scientifique et social du projet de recherche
Notre projet s'inscrit dans un contexte international favorable. L'Union Européenne par exemple, a lancé cette année une initiative d'un milliard d'euros pour favoriser les technologies quantiques, comme les communications quantiques. Des multinationales comme IBM, Google ou Microsoft, par exemple, espèrent réaliser dans un future très proche le premier ordinateur quantique avec une capacité de calcul supérieure au plus puissant des super-ordinateurs classiques.

 
Direct link to Lay Summary Last update: 17.07.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
175527 Trustful certifications of quantum computers 01.09.2018 Project funding (Div. I-III)
150579 Exploring the quantum features of large systems 01.09.2014 SNSF Professorships

Abstract

In the sixties, John Bell studied a simple game in which two black-boxes receive classical inputs and produce classical outputs only. He devised a test to certify that the correlations between the outputs cannot be explained by classical means from the sole knowledge of the input/output statistics. While this test - now known as the Bell test - is appealing to highlight limits of classical physics, it has been realized in the nineties that it can be used to certify that the state on which the black boxes operate is a well identified entangled state. As entanglement is at the core of secure communication, the Bell test is nowadays seen as a trustworthy technique to certify the security of quantum key distribution independently of the details and imperfections of the actual implementations. The aim of our project is twofold. First, we will create a complete mathematical framework for the characterization of complex quantum systems including multi-partite and many-body systems from Bell tests. Upon success, we will lay the theoretical groundwork that is needed to report on the first Bell test with a many-body system, hence demonstrating its quantum nature in a fully black-box scenario. Second, we will highlight the potential of Bell tests to certify the proper functioning of complex quantum technologies that are not necessarily trusted and are anyway too complicated to be modelled accurately. This might lead to reference techniques to certify present day and future quantum computers by demonstrating that they behave as instructed even when using imperfectly described systems.
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