Экспериментальная установка. 
(а) Оптическая установка эксперимента по подготовке и измерению. Пространственный модулятор света (SLM) кодировал начальное состояние, модулируя фронт фотонной волны. Коррелятор 4 f сопоставил волновой фронт со вторым SLM, который реализовал измерение. Фотоны собираются одномодовым волокном (SMF) и отправляются в однофотонный лавинный детектор (SPAD) для подсчета фотонов. 
(b) Образец голограммы, показывающий схему кодирования. Соответствующее состояние |ψ⟩ = (|1⟩ + |2⟩ + |3⟩ + |4⟩) / 2 . 
(c) Пример рассчитанного профиля волновой функции по сравнению с измеренным.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240202

Квантовая контекстуальность относится к тому явлению, что измерения квантовых наблюдаемых нельзя просто рассматривать как выявление ранее существовавших свойств. Это отличительная черта квантовой механики и важнейший ресурс для квантовых вычислений. Контекстуальность бросает вызов неконтекстуальным теориям скрытых переменных и тесно связана с квантовой нелокальностью.

В многочастичных системах квантовая нелокальность возникает как результат противоречия между квантовой контекстуальностью и неконтекстуальностью теорий скрытых переменных. Степень нелокальности можно измерить нарушением неравенства Белла, и предыдущие исследования показали, что нарушение экспоненциально увеличивается с количеством задействованных квантовых битов. Однако, в то время как одночастичная многомерная система предлагает больше возможностей для измерений по сравнению с многочастными системами, поиск повышения надежности контекстуальной корреляции остается постоянной проблемой.

Чтобы наблюдать более надежную квантовую контекстуальность в системе с одной частицей, исследователи применили теоретико-графовый подход к квантовым корреляциям. Они связывали коммутационные отношения между измерениями, используемыми в корреляциях нелокальности, с графом исключительности, а затем искали другой набор измерений в единой многомерной системе, которые имеют коммутационное соотношение, изоморфное графу. Этот подход полностью определяет неклассические свойства квантовых корреляций с использованием параметров графа.

Исследователи обнаружили, что после преобразования неравенства Белла Мермина-Ардехали-Белинского-Клышко (МАБК) в неравенство неконтекстуальности с использованием описанного выше подхода максимальное нарушение остается тем же, но требуемая размерность гильбертова пространства меньше по сравнению с размерностью исходного неравенства Белла. Дальнейшие исследования показали, что это явление концентрации контекстуальности, при котором контекстуальность переходит от корреляций нелокальности к одночастичным многомерным корреляциям, широко наблюдается в классе корреляций нелокальности, ранее обнаруженных командой.

В ходе эксперимента исследователи разработали метод пространственной модуляции света для достижения высокоточной подготовки и измерения квантового состояния в семимерной квантовой системе на основе кодирования пространственной моды фотона.

Обеспечив минимальные помехи между первоначальными и последующими измерениями, они обнаружили нарушение, превышающее 68 стандартных отклонений, в неравенстве неконтекстуальности, полученном из трехстороннего неравенства MABK. Отношение между значением квантового нарушения и классическим пределом достигло 0,274, установив новый рекорд самого высокого отношения в экспериментах по контекстуальности с одной частицей.

Открытие концентрации квантовой контекстуальности не только закладывает основу для наблюдения большего количества квантовых корреляций, но также обладает потенциалом для продвижения реализации квантовых вычислений в различных физических системах.