Pengantar

Dalam video berikut, John Watrous memandu kamu melalui konten dalam pelajaran tentang entanglement dalam aksi ini. Atau, kamu bisa membuka video YouTube untuk pelajaran ini di jendela terpisah. Unduh slide untuk pelajaran ini.

Dalam pelajaran ini kita akan melihat tiga contoh yang sangat penting. Dua yang pertama adalah protokol teleportasi kuantum dan superdense coding, yang terutama berkaitan dengan transmisi informasi dari pengirim ke penerima. Contoh ketiga adalah permainan abstrak, yang disebut permainan CHSH, yang menggambarkan fenomena dalam informasi kuantum yang kadang disebut sebagai nonlokalitas. (Permainan CHSH tidak selalu digambarkan sebagai sebuah permainan. Sering kali digambarkan sebagai eksperimen — khususnya, ini adalah contoh dari uji Bell — dan disebut sebagai ketidaksetaraan CHSH.)

Teleportasi kuantum, superdense coding, dan permainan CHSH bukan sekadar contoh yang dimaksudkan untuk menggambarkan cara kerja informasi kuantum, meskipun ketiganya memang berfungsi dengan baik dalam hal ini. Sebaliknya, ketiganya adalah batu pondasi informasi kuantum. Entanglement memainkan peran kunci dalam ketiga contoh tersebut, sehingga pelajaran ini memberikan kesempatan pertama dalam kursus ini untuk melihat entanglement dalam aksi, dan mulai mengeksplorasi apa yang membuat entanglement menjadi konsep yang begitu menarik dan penting.

Sebelum melanjutkan ke contoh-contoh itu sendiri, beberapa komentar pendahuluan yang terhubung ke ketiga contoh tersebut perlu disampaikan.

Alice dan Bob

Alice dan Bob adalah nama yang secara tradisional diberikan kepada entitas atau agen hipotetis dalam sistem, protokol, permainan, dan interaksi lain yang melibatkan pertukaran informasi. Meskipun ini adalah nama manusia, perlu dipahami bahwa mereka mewakili abstraksi dan tidak selalu manusia nyata — jadi Alice dan Bob mungkin diharapkan melakukan komputasi kompleks, misalnya.

Nama-nama ini pertama kali digunakan dengan cara ini pada tahun 1970-an dalam konteks kriptografi, tapi konvensi ini telah menjadi umum secara lebih luas sejak saat itu. Idenya sederhana saja bahwa ini adalah nama-nama umum (setidaknya di beberapa bagian dunia) yang dimulai dengan huruf A dan B. Juga sangat mudah untuk merujuk Alice dengan kata ganti "dia (perempuan)" dan Bob dengan kata ganti "dia (laki-laki)" demi singkatnya.

Secara default, kita membayangkan bahwa Alice dan Bob berada di lokasi yang berbeda. Mereka mungkin memiliki tujuan dan perilaku yang berbeda tergantung pada konteks di mana mereka muncul. Misalnya, dalam komunikasi, yang berarti transmisi informasi, kita mungkin memutuskan untuk menggunakan nama Alice untuk merujuk pengirim dan Bob untuk merujuk penerima informasi apa pun yang dikirimkan. Secara umum, mungkin Alice dan Bob bekerja sama, yang merupakan hal yang umum dalam berbagai pengaturan — tapi dalam pengaturan lain mereka mungkin bersaing, atau mereka mungkin memiliki tujuan berbeda yang mungkin atau mungkin tidak konsisten atau harmonis. Hal-hal ini harus diperjelas dalam situasi yang ada.

Kita juga bisa memperkenalkan karakter tambahan, seperti Charlie dan Diane, sesuai kebutuhan. Nama-nama lain yang mewakili persona berbeda, seperti Eve untuk penyadap atau Mallory untuk seseorang yang berperilaku jahat, juga terkadang digunakan.

Entanglement sebagai sumber daya

Ingat contoh keadaan kuantum yang terjalin dari dua Qubit ini:

$$\vert \phi^+ \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \vert 00\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}} \vert 11\rangle. \tag{1}$$

Ini adalah salah satu dari empat keadaan Bell, dan sering dilihat sebagai contoh arketipal dari keadaan kuantum yang terjalin.

Kita juga sebelumnya menemukan contoh keadaan probabilistik dari dua bit ini:

$$\frac{1}{2} \vert 00 \rangle + \frac{1}{2} \vert 11 \rangle. \tag{2}$$

Ini, dalam beberapa hal, analog dengan keadaan kuantum yang terjalin $(1).$ Ini mewakili keadaan probabilistik di mana dua bit berkorelasi, tapi tidak terjalin. Entanglement adalah fenomena yang unik secara kuantum, pada dasarnya berdasarkan definisi: dalam istilah sederhana, entanglement mengacu pada korelasi kuantum non-klasik.

Sayangnya, mendefinisikan entanglement sebagai korelasi kuantum non-klasik agak tidak memuaskan di tingkat intuitif, karena itu adalah definisi tentang apa entanglement itu dalam hal apa yang bukan. Inilah mungkin mengapa sebenarnya cukup menantang untuk menjelaskan dengan tepat apa itu entanglement, dan apa yang membuatnya istimewa, dalam istilah intuitif.

Penjelasan tipikal tentang entanglement sering gagal membedakan dua keadaan $(1)$ dan $(2)$ secara bermakna. Misalnya, kadang dikatakan bahwa jika salah satu dari dua Qubit yang terjalin diukur, maka keadaan Qubit lainnya entah bagaimana langsung terpengaruh; atau bahwa keadaan dua Qubit bersama tidak dapat dijelaskan secara terpisah; atau bahwa dua Qubit entah bagaimana mempertahankan memori satu sama lain. Pernyataan-pernyataan ini tidak salah, tapi mengapa pernyataan-pernyataan itu juga tidak benar untuk keadaan probabilistik (tidak terjalin) $(2)$ di atas? Dua bit yang diwakili oleh keadaan ini terhubung erat: masing-masing memiliki memori sempurna tentang yang lain dalam arti literal. Tapi keadaannya tetap tidak terjalin.

Satu cara untuk menjelaskan apa yang membuat entanglement istimewa, dan apa yang membuat keadaan kuantum $(1)$ sangat berbeda dari keadaan probabilistik $(2),$ adalah dengan menjelaskan apa yang bisa dilakukan dengan entanglement, atau apa yang bisa kita lihat terjadi karena entanglement, yang melampaui keputusan yang kita buat tentang bagaimana mewakili pengetahuan kita tentang keadaan menggunakan vektor. Ketiga contoh yang akan dibahas dalam pelajaran ini memiliki sifat ini, dalam arti bahwa ketiganya menggambarkan hal-hal yang bisa dilakukan dengan keadaan $(1)$ yang tidak bisa dilakukan dengan sembarang keadaan yang berkorelasi secara klasik, termasuk keadaan $(2).$

Memang, dalam studi informasi dan komputasi kuantum, entanglement biasanya dipandang sebagai sumber daya melalui mana berbagai tugas dapat diselesaikan. Ketika ini dilakukan, keadaan $(1)$ dipandang sebagai mewakili satu unit entanglement, yang kita sebut sebagai e-bit. "e" singkatan dari "entangled" atau "entanglement." Meskipun benar bahwa keadaan $(1)$ adalah keadaan dua Qubit, jumlah entanglement yang diwakilinya adalah satu e-bit.

Kebetulan, kita juga bisa memandang keadaan probabilistik $(2)$ sebagai sumber daya, yaitu satu bit keacakan bersama. Ini bisa sangat berguna dalam kriptografi, misalnya, untuk berbagi bit acak dengan seseorang (dengan asumsi tidak ada orang lain yang tahu apa bit itu), sehingga dapat digunakan sebagai kunci privat, atau bagian dari kunci privat, untuk keperluan enkripsi. Tapi dalam pelajaran ini fokusnya adalah pada entanglement dan beberapa hal yang bisa kita lakukan dengannya.

Sebagai klarifikasi mengenai terminologi, ketika kita mengatakan bahwa Alice dan Bob berbagi e-bit, yang kita maksud adalah Alice memiliki Qubit bernama $\mathsf{A},$ Bob memiliki Qubit bernama $\mathsf{B},$ dan bersama-sama pasangan $(\mathsf{A},\mathsf{B})$ berada dalam keadaan kuantum $(1).$ Nama yang berbeda tentu saja bisa dipilih untuk Qubit-Qubit tersebut, tapi sepanjang pelajaran ini kita akan menggunakan nama-nama ini demi kejelasan.