Quantum theory, the physics of the very small, helps us to understand nature and our world by explaining and predicting the behaviour of atoms and molecules. Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) are interested in what comes after quantum theory, specifically the possibility of a broader theory that replaces quantum theory as a more complete description of nature.
In 1900, while studying radiation, Max Planck observed that energy could behave in a way not consistent with classical physics. Twenty-years later a more fulsome understanding of matter emerged. Based on the research of physicists like Bohr, Schrödinger, and Heisenberg this new theory, quantum theory, accounted for the unpredictable nature Planck observed two decades before. In the same way that quantum physics built on our understanding of classical physics, a novel, post-quantum theory may build off our current understanding of quantum physics.
As a master’s student with IQC and the Department of Physics and Astronomy, Michael Grabowecky was interested in exploring any potential deviations from quantum theory and identifying restrictions on any new potential theories.
To test quantum theory against possible alternates, a neutral or theory agnostic approach was needed. This approach allows data to inform an interpretation theory. The team designed an experiment to collect a large amount of data from a three-level system, then work out a theory directly from the obtained data.
“We do not assume any particular theory to be true before conducting the experiment. We want to make as little assumptions as possible, and we definitely don't want to assume that quantum mechanics is true,” said Grabowecky. “The whole purpose of these kind of experiments is to let the statistics and the photons speak for themselves.”
To minimize the experimental assumptions and take a theory-agnostic approach, the team used the framework of generalized probabilistic theories (GPTs). GPTs are operational theories in which classical and quantum physics are special cases. The team used GPTs because they require minimal assumptions and can be used to avoid any inherent quantum biases when conducting an experiment.
A digital computer stores and processes information using bits, which can either be 0 or 1. A quantum bit or qubit, can be both 0 and 1 and is a two-level system. In this experiment the team investigated a three-level system, where the bits have three degrees of freedom rather than two. The quantum analog of a three-level system is called a qutrit.
“We prepared a three-level system in a wide variety of ways and on each of those preparations, we performed a large number of measurements. The statistics associated with these random preparations and measurements were used to construct a physical theory describing our system,” said Grabowecky.
The experiment found that quantum theory works well in describing the obtained data, but a broader theory beyond quantum may be possible. Furthermore, this research identified quantitative boundaries on the scope of possible deviations from quantum theory for three-level systems.
Grabowecky, now the Quantum Technology Lab Coordinator at IQC, is excited by the potential of this research. “Quantum theory does a great job at describing our three-level system and the world around us, but there is potential for other theories to fit in. This research gives us room to find other theories that may explain some phenomenon a little better than quantum theory.”
The experimental data sets from this research can be used to test future theories that may supersede quantum theory and advance fundamental research.
Experimentally bounding deviations from quantum theory for a photonic three-level system using theory-agnostic tomography by Michael Grabowecky, Christopher Pollack, Andrew Cameron, Robert Spekkens, and Kevin Resch was published in Physical Review A on March 10, 2022.
This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund (CFREF).
Qu’y a-t-il au-delà de la physique quantique?
La physique quantique, physique de l’infiniment petit, nous aide à comprendre la nature et notre univers en expliquant et en prédisant le comportement des atomes et des molécules. Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) s’intéressent à ce qu’il y a au-delà de la physique quantique, plus précisément à la possibilité d’une théorie plus vaste qui remplacerait la physique quantique en décrivant la nature d’une manière plus complète.
En 1900, alors qu’il étudiait le rayonnement, Max Planck a observé que l’énergie pouvait se comporter d’une manière incompatible avec la physique classique. Vingt ans plus tard émergeait une vision plus complète de la matière. Fondée sur les recherches de physiciens tels que Bohr, Schrödinger et Heisenberg, cette nouvelle théorie, la physique quantique, expliquait les observations effectuées par Planck 2 décennies auparavant. Tout comme la physique quantique va au-delà des connaissances fournies par la physique classique, une nouvelle théorie, dite postquantique, pourrait aller au-delà de nos connaissances actuelles en physique quantique.
Dans le cadre de ses études de maîtrise à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie, Michael Grabowecky a voulu s’intéresser aux divergences possibles par rapport à la physique quantique et aux restrictions à imposer sur de nouvelles théories potentielles.
Pour mettre à l’épreuve la physique quantique au regard d’autres théories possibles, il faut adopter une démarche neutre, indépendante de toute théorie. Dans cette démarche, les données éclairent une théorie d’interprétation. L’équipe de M. Grabowecky a conçu une expérience pour recueillir une grande quantité de données sur un système à 3 degrés de liberté, puis élaborer une théorie directement à partir des données obtenues.
« Avant d’effectuer l’expérience, nous ne faisons aucune supposition sur la validité d’une théorie ou d’une autre, dit M. Grabowecky. Nous voulons faire aussi peu d’hypothèses que possible, et assurément éviter de supposer que la mécanique quantique est vraie. Ce genre d’expérience vise à laisser les statistiques et les photons parler par eux-mêmes. » [traduction]
Pour minimiser les hypothèses expérimentales et adopter une démarche indépendante de toute théorie, l’équipe a adopté le cadre des théories probabilistes généralisées, en abrégé GPT pour generalized probabilistic theories. Les GPT sont des théories opérationnelles dont la physique classique et la physique quantique sont des cas particuliers. L’équipe a fait appel aux GPT parce qu’elles n’exigent que des hypothèses minimales et qu’elles permettent d’éviter des biais quantiques inhérents lorsque l’on effectue une expérience.
Un ordinateur numérique enregistre et traite l’information sous forme de bits, qui peuvent avoir la valeur 0 ou 1. Un bit quantique, ou qubit, peut avoir à la fois les valeurs 0 et 1, et constitue un système à 2 degrés de liberté. Dans cette expérience, l’équipe a étudié un système où les bits ont 3 degrés de liberté plutôt que 2. L’analogue quantique d’un système à 3 degrés de liberté s’appelle un qutrit.
« Nous avons préparé de nombreuses manières un système à 3 degrés de liberté et nous avons chaque fois effectué un grand nombre de mesures, dit M. Grabowecky. À partir des statistiques compilées sur ces préparations et mesures aléatoires, nous avons élaboré une théorie physique décrivant notre système. » [traduction]
L’expérience a montré que la physique quantique arrive à bien décrire les données obtenues, mais qu’il pourrait y avoir une théorie plus vaste au-delà de la physique quantique. De plus, ces recherches ont permis d’établir des limites quantitatives sur la portée de divergences possibles par rapport à la physique quantique dans le cas de systèmes à 3 degrés de liberté.
Michael Grabowecky, maintenant coordonnateur du laboratoire de technologie quantique à l’IQC, est enthousiasmé par le potentiel de ces recherches. « La physique quantique réussit à décrire notre système à 3 degrés de liberté et le monde qui nous entoure, mais d’autres théories pourraient convenir. Ces travaux nous donnent de l’espace pour trouver d’autres théories qui pourraient expliquer certains phénomènes un peu mieux que la physique quantique. » [traduction]
Les données expérimentales utilisées dans ces recherches peuvent servir à tester des théories futures susceptibles de supplanter la physique quantique et de faire progresser la recherche fondamentale.
L’article intitulé Experimentally bounding deviations from quantum theory for a photonic three-level system using theory-agnostic tomography (Détermination des limites expérimentales des divergences par rapport à la physique quantique, dans le cas d’un système photonique à 3 degrés de liberté, dans une démarche indépendante de toute théorie), par Michael Grabowecky, Christopher Pollack, Andrew Cameron, Robert Spekkens et Kevin Resch, a été publié le 10 mars 2022 dans Physical Review A.
Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC).