Multipartite nonlocality  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
111734
Type K
Principal investigator Vértesi, Tamás
Title in Hungarian Többrészecskés nemlokalitás
Title in English Multipartite nonlocality
Keywords in Hungarian nemlokalitás, összefonódottság
Keywords in English nonlocality, entanglement
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Quantum theory research group (HUN-REN Institute for Nuclear Research)
Participants Bene, Erika
Demes, Sándor
Diviánszky, Péter
Pál, Károly Ferenc
Trencsényi, Réka
Starting date 2015-01-01
Closing date 2018-12-31
Funding (in million HUF) 17.223
FTE (full time equivalent) 13.03
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Fő célunk többrészecskés összefonódott kvantumrendszerek tanulmányozása különös tekintettel nemlokális tulajdonságaira. Szeretnénk a többrészű összefonódottság területén eddig felhalmozott ismeretek, módszerek egy részét a nemlokalitás területére is átvinni és azokat kiterjeszteni. Négy fő célkitűzésünk van a kettőnél többrészű korrelációk vizsgálatára nézve:

- Összefonódott kvantumállapotok kinyerése csakis kísérletből felvett statisztika segítségével, vagyis anélkül, hogy megbíznánk a mérési eszközök, berendezések belső működésében. Ezen lehetőségre a kvantumfizika nemlokális tulajdonsága ad egyedüli módot.

- Sokrészű kvantumrendszerek nemlokalitásának jellemzése. Szeretnénk olyan analitikus illetve numerikus módszereket kifejleszteni, amelyek lehetőséget adnak arra, hogy akár nagyszámú részecskét tartalmazó rendszereket is karakterizálhassunk az összefonódottság fajtája alapján (pl. valódi többrészű, GHZ/W típusú). Ehhez fontosnak találjuk a két- illetve háromtestes permutációsan invariáns Bell-operátorok tanulmányozását, ugyanis ezek kísérleti szempontból nagyon hasznosak, kicsi az erőforrás igényük.

- Alacsony detektorhatékonyságot is jól toleráló többrészecskés Bell-egyenlőtlenségeket szeretnénk találni, amelyek a természet nemlokális karakterét kiskapuktól mentesen mutatják meg, és ezentúl hasznosnak bizonyulhatnak az ú.n. eszközfüggetlen kvantuminformatikai protokollokban is.

- Többrészű korrelációk nemlokalitásának információelméleti szempontból történő tanulmányozása. Célunk olyan információs elveken alapuló ú.n. zárt halmazok előállítása, amelyek jól jellemzik illetve jól közelítik a kvantumkorrelációk halmazát.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdése annak feltárására irányul, hogy a kettőnél többrészecskés nemlokalitás milyen új struktúrával gazdagodik a kétrészecskés esethez képest. Ezzel kapcsolatosan minél jobb és teljesebb jellemzését kívánjuk adni a többrészecskés kvantumnemlokalitásnak. Úgy gondoljuk, hogy itt hasznosnak fognak bizonyulni a többrészű kvantumösszefonódottság területén eddig felhalmozott ismeretek, sok esetben ezen eredmények analógiájára konstruálhatunk meg nemlokalitás-mértékeket. A másik megközelítésünk ugyanakkor új információs elvek kitalálását igényli. A kvantumrendszerek jellemzését a többrészű nemlokalitáson keresztül információs elveken alapuló nézőpontból közelítenénk meg anélkül, hogy felhasználnánk a kvantummechanika Hilbert-tér struktúráját (ekkor pl. dimenziókényszerek sem lépnek fel). Az utóbbi időben ezen terület nagyon gyümölcsözőnek bizonyult, de úgy gondoljuk, hogy még sok kiaknázatlan lehetőség van.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A célok bár fizikai problémák megoldására irányulnak, a megközelítés alapvetően interdiszciplináris. Ez egy elméleti projekt, amely a többrészű nemlokalitás jellemzésének absztrakt eredményeitől egészen a nemlokalitás erőforrásként való hasznosíthatósága, praktikus alkalmazásai felé mutat. Azt várjuk, hogy az általunk elért eredmények számos kvantuminformatikai protokollba beépülhetnek. Ezen belül is az ú.n. eszközfüggetlen protokollok területén várunk konkrét alkalmazásokat (ezen új protokollokban a felhasználónak nem szükséges az eszközök belső működésében megbíznia, mintegy fekete dobozként kezelheti azokat). Ezen koncepció, amelyet a kvantumfizika nemlokális aspektusa enged meg egyedüli módon, eddig biztonságos véletlenszámok előállítását vagy feltörésmentes titkosítási eljárások kidolgozását tette lehetővé, és ezen alkalmazások egy része már a piacon is elérhető. Arra számítunk, hogy a kettőnél többrésztvevős esetben az ú.n. eszközfüggetlen alkalmazások köre a nemlokalitás gazdagabb struktúrájának következményeként lényegesen bővülni fog.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kvantummechanika a legsikeresebb tudományos elméletek egyike. Azonban majdnem 90 évvel a felfedezése után még mindig új problémák lépnek fel az elméletben, sok esetben paradoxonok formájában. Egyike ezen paradoxonoknak a kvantummechanika nemlokális tulajdonságához köthető, amely azt fejezi ki, hogy a kvantumrészecskék nagy távolságokban is képesek összehangoltan működni és a klasszikus fizikához képest sokkal erősebb korrelációkat tudnak létrehozni. A kvantummechanika ezen aspektusát azóta kísérletileg számtalan esetben igazolták az ú.n. Bell-egyenlőtlenségek sérülése révén.

A jelen kutatásunkban ezen nemlokális korrelációkat szeretnénk tanulmányozni kettőnél több részecske esetén. A kétrészecskés eset már viszonylag jól feltárt, viszont a többrészecskés korrelációk területe, ahol várhatóan a nemlokalitásnak még nagyobb jelentősége lehet, nagyrészt feltáratlan. Egyfelől, több részecske összefonódott állapotának sajátosságait szeretnénk jellemezni csupán kísérletből származó adatokra alapozva, vagyis anélkül, hogy bármely feltevést tennénk a kísérleti berendezések belső működéséről. Másfelől, a többrészű kvantumrendszerek nemlokalitásának jobb megértéséhez információs elveket hívunk segítségül, amelyek új kvantuminformatikai protokollokban is hasznosulhatnak (pl. véletlenszámok előállítása, kvantumtitkosítás).
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main objective of our research proposal is to study the non-local properties of multipartite entangled quantum systems. In particular, we would like to exploit the rich structure of multipartite quantum entanglement by translating some of the fundamental results obtained in entanglement theory to the nonlocality scenario. The proposed research is structured along the following four research lines:

- Assess multipartite entangled states in a black box scenario on the sole basis of observed statistics without relying on any assumption on the inner functioning of the used boxes. In this case, the presense of non-local correlations is a necessary ingredient.

- Characterization of nonlocality arising from multipartite quantum systems. We wish to develop both analytical and numerical tools in order to characterize the structure of entanglement (e.g. genuinely multipartite, GHZ versus W-type) even in the case of large number of constituents. Here, our main goal is to design nonlocality tests that rely solely on low-order and permutationally invariant correlations which would facilitate their experimental implementation due to the modest resource requirements.

- Tackle the problem of finite efficiency of detectors in nonlocality tests by moving to the multipartite scenario. Detecting nonlocal correlations without the detection loophole is a necessary requirement of novel device-independent quantum information protocols as well.

- Study of nonlocal quantum correlations from an information perspective, identifying information-based principles that are able to characterize and bound the set of quantum correlations from the outside and the inside.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
One of the basic aims of the research proposal is to explore the richness of multipartite nonlocality with respect to the bipartite case. For this purpose, we would like to translate some of the basic results obtained in entanglement theory to the nonlocality framework. Our other objective is to derive genuine multipartite quantum features from an information theoretic perspective without resorting to the Hilbert space structure of quantum mechanics. In particular, we wish to extend the notion of closed sets of correlations to the multipartite domain and define several distinct closed sets which does not involve dimension constraint on local Hilbert space of each party. We hope to get interesting results along this research direction.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed research, though aims at fundamental problems in quantum physics, has an interdisciplinary character. This is a theoretical project which extends from the very abstract level of characterizing multipartite quantum nonlocality toward exploiting this resource to design new quantum information applications. In particular, we expect that our results prove useful in the very recent field of device-independent quantum information, where the presence of non-local correlations is a necessary ingredient. In this scenario, the goal is to design protocols which do not rely on any assumption (such as measurement alignments) on the devices used in the protocol. This new concept, for instance, allows in the bipartite case novel key distribution protocols whose security is independent of the quantum states and measurements used to establish the key. We strongly believe that by moving to the multipartite device-independent setting even more powerful protocols will be developed due to the richer structure of nonlocality.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Quantum mechanics is one of the most successful theories in the history of science. Yet, nearly 90 years after the theory's development, there are still many unresolved problems. Usually, new quantum effects pop up in the form of paradoxes, which suggests that a deep understanding of quantum mechanics is still missing. One of the mysteries is related to quantum non-locality: separated parties sharing an entangled state are able to produce correlations which are unexplainable by any classical mechanism. These super-strong correlations have been experimentally tested several times demonstrating the striking fact that nature is inherently nonlocal.

In this project, we wish to study multipartite nonlocality, that is when more than two parties are entangled to each other. The bipartite situation is relatively well explored, however, it is fair to say that multipartite nonlocality is largely unexplored. We have a two-fold aim. Firstly, we wish to characterize quantum nonlocality based solely on observed statistics, that is, without relying on any details of the measurement apparatuses. Secondly, we would like to exploit information-theoretic principles in order to better understand the nonlocality of multipartite quantum systems. Thereby, we expect to improve on or design completely new quantum information protocols based on the phenomenon of multipartite nonlocality.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázatban többrészű rendszerek nemlokális kvantumkorreláció struktúrájának a feltérképezését és ezen korrelációk informatikai protokollokban történő hasznosíthatóságát vizsgáltuk. Ezen nem klasszikus korrelációk egzakt jellemzése és leírása még a legegyszerűbb kétrészű rendszerek esetén is megoldatlan probléma. Kutatásainkban új, hatékony numerikus módszereket dolgoztunk ki ezen feladatra, és kerestük az információfeldolgozás eszközfüggetlen lehetőségeit, amelyekben az eszközök fekete doboznak tekinthetők, amelyre egyedüli módot a kvantumfizika nemlokális tulajdonsága ad. A kutatási tervvel összhangban a következő témákban értünk el meghatározó eredményeket: egy- és többrészű kvantumrendszerek öntesztelése, sokrészű kvantumállapotok nemlokalitásának jellemzése, a kvantumelméletnél erősebb korrelációkat megjósló elméletek vizsgálata, illetve összefonódott kvantumrendszerek különféle informatikai alkalmazásai, mint pl. véletlenszámok előállítása és metrológia.
Results in English
The focus of the project was to explore the rich structure of nonlocal properties of multipartite quantum systems and to find useful applications of these nonlocal correlations in quantum information protocols. The exact description and characterization of such nonclassical correlations is a difficult and unresolved problem even in the simplest case of bipartite systems. In our research, we developed efficient numerical tools to characterize the strength of such quantum correlations, which play a key role in device-independent protocols, where the devices do not require modelling, that is, they can be considered black boxes. In accordance with the research proposal, our main results are as follows: devising self-testing of single and bipartite quantum systems, characterizing famous multipartite quantum states, exploring theories with correlations beyond quantum correlations, finding uses of entangled quantum systems in applications such as generation of random numbers and quantum metrology.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=111734
Decision
Yes





 

List of publications

  
T. Guerreiro, F. Monteiro, A. Martin, J. B. Brask, T. Vértesi, B. Korzh, M. Caloz, F. Bussières, V. B. Verma, A. E. Lita, R. P. Mirin, S. W. Nam, F. Marsilli, M. D. Shaw, N. Gisin, N. Brunner, H. Zbinden, R. T. Thew: Demonstration of EPR steering using single-photon path entanglement and displacement-based detection, Phys Rev. Lett 117, 070404, 2016
F. Hirsch, M.T. Quintino, T. Vértesi, M.F. Pusey, N. Brunner: Algorithmic construction of local hidden variable models for entangled quantum states, Phys. Rev. Lett. 117, 190402, 2016
Sándor Nagy and Tamás Vértesi: EPR steering inequalities with communication assistance, Sci. Rep. 6, 21634, 2016
A. Acín, S. Pironio, T. Vértesi, P. Wittek: Optimal randomness certification from one entangled bit, Phys. Rev. A 93, 040102, 2016
E. S. Gómez, S. Gómez, P. González, G. Cañas, J. F. Barra, A. Delgado, G. B. Xavier, A. Cabello, M. Kleinmann, T. Vértesi, G. Lima: Device-Independent Certification of a Nonprojective Qubit Measurement, Phys. Rev. Lett. 117, 260401, 2016
F. Hirsch, M.T. Quintino, J. Bowles, T. Vértesi, N. Brunner: Entanglement without hidden nonlocality, New. J. Phys. 18, 113019, 2016
P. Diviánszky, R. Trencsényi, E. Bene, T. Vértesi: Bounding the persistency of the nonlocality of W states, Phys. Rev. A 93, 042113, 2016
Flavien Hirsch, Marco Túlio Quintino, Tamás Vértesi, Miguel Navascués, Nicolas Brunner: Better local hidden variable models for two-qubit Werner states and an upper bound on the Grothendieck constant KG(3), Quantum 1, 3, 2017
Matthias Kleinmann, Tamás Vértesi, Adán Cabello: Proposed experiment to test fundamentally binary theories, Phys. Rev. A 96, 032104, 2017
Anna de Rosier, Jacek Gruca, Fernando Parisio, Tamas Vertesi, Wieslaw Laskowski: Multipartite nonlocality and random measurements, Phys. Rev. A 96, 012101, 2017
Karoly F Pal, Tamas Vertesi: Family of Bell inequalities violated by higher-dimensional bound entangled states, Phys. Rev. A 96, 022123, 2017
Péter Diviánszky, Erika Bene, Tamás Vértesi: Qutrit witness from the Grothendieck constant of order four, Phys. Rev A 96, 012113, 2017
Sándor Nagy and Tamás Vértesi: EPR steering inequalities with communication assistance, Sci. Rep. 6, 21634, 2016
Anna de Rosier, Jacek Gruca, Fernando Parisio, Tamas Vertesi, Wieslaw Laskowski: Multipartite nonlocality and random measurements, Phys. Rev. A 96, 012101, 2017
Bene E,Vértesi T: Measurement incompatibility does not give rise to Bell violation in general, New J. Phys. 20, 013021, 2018
Fonseca A.,De Rosier A.,Vértesi T.,Laskowski W.,Parisio F.: Survey on the Bell nonlocality of a pair of entangled qudits, Phys. Rev. A 98, 042105, 2018
Goh Koon Tong,Kaniewski Jędrzej,Wolfe Elie,Vértesi Tamás,Wu Xingyao,Cai Yu,Liang Yeong-Cherng,Scarani Valerio: Geometry of the set of quantum correlations, Phys. Rev. A 97, 022104, 2018
Hu X-M,Liu B-H,Guo Y,Xiang G-Y,Huang Y-F,Li C-F,Guo G-C,Kleinmann M,Vértesi T,Cabello A: Observation of Stronger-than-Binary Correlations with Entangled Photonic Qutrits, Phys. Rev. Lett. 120, 180402, 2018
Kostrzewa Kamil,Laskowski Wiesław,Vértesi Tamás: Closing the detection loophole in multipartite Bell experiments with a limited number of efficient detectors, Phys. Rev. A 98, 012138, 2018
Navascués M,Vértesi T: Bond dimension witnesses and the structure of homogeneous matrix product states, QUANTUM: THE OPEN JOURNAL FOR QUANTUM SCIENCE 2, 50, 2018
Tavakoli A.,Kaniewski J.,Vértesi T.,Rosset D.,Brunner N.: Self-testing quantum states and measurements in the prepare-and-measure scenario, Phys. Rev. A 98, 062307, 2018
Tóth G,Vértesi T: Quantum States with a Positive Partial Transpose are Useful for Metrology, Phys. Rev. Lett. 120, 020506, 2018
Miguel Navascues, Tamas Vertesi: Bounding the Set of Finite Dimensional Quantum Correlations, Phys. Rev. Lett. 115, 020501, 2015
Wieslaw Laskowski, Tamas Vertesi, Marcin Wiesniak: Highly noise resistant multiqubit quantum correlations, J. Phys. A 48, 465301, 2015
Marco Túlio Quintino, Tamás Vértesi, Daniel Cavalcanti, Remigiusz Augusiak, Maciej Demianowicz, Antonio Acín, Nicolas Brunner: Inequivalence of entanglement, steering, and Bell nonlocality for general measurements, Phys. Rev. A 92, 032107, 2015
Karoly F. Pal, Tamas Vertesi: Closing the detection loophole in tripartite Bell tests using the W state, Phys. Rev. A 92, 022103, 2015
Ana Belen Sainz, Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Paul Skrzypczyk, Tamás Vértesi: Postquantum Steering, Phys. Rev. Lett. 115, 190403, 2015
Miguel Navascues, Adrien Feix, Mateus Araujo, Tamas Vertesi: Characterizing finite-dimensional quantum behavior, Phys. Rev. A 92, 042117, 2015
Karoly F. Pal, Tamas Vertesi: Bell inequalities violated using detectors of low efficiency, Phys. Rev. A 92, 052104, 2015




 

Events of the project

  
2023-04-27 08:50:01
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Elméleti magfizika kutatócsoport (Atommagkutató Intézet), Új kutatóhely: Kvantumelmélet kutatócsoport (Atommagkutató Intézet).
2017-08-30 15:26:58
Résztvevők változása
2016-06-15 09:46:48
Résztvevők változása



Back »