title: Towards a device independent measurement of indefinite causal order with a quantum SWITCH
Creators: name: Richter, Carla Maria Davida
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die Quantenmechanik erlaubt Prozesse mit undefinierter kausaler Reihenfolge, die die grundlegenden Prinzipien der klassischen Kausalität infrage stellen. Dieses Gebiet derindefinite causal order (ICO) hat in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit gewonnen, insbesondere durch den sogenannten Quanten-Switch – ein ICO-Prozess, der sich im Labor realisieren lässt. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, eindeutig nachzuweisen, dass dieser experimentelle Switch tatsächlich undefinierte kausale Ordnungen erzeugt und alternative Erklärungen ausgeschlossen werden können. Kürzlich wurde von van der Lugt et al. eine lokale kausale Ungleichung veröffentlicht , die vom Quanten-Switch gebrochen werden kann. Damit eröffnet sich die Möglichkeit zur ersten geräteunabhängigen Demonstration der ICO im experimentellen Switch. Das Ziel dieser Masterarbeit war es, ein optisches Experiment aufzubauen, das die Brechung dieser kausalen Ungleichung erlaubt und dessen Leistung in Testmessungen zu evaluieren. Mittels Tomographien des Quantenzustands sollte überprüft werden, ob der Aufbau ausreichend präzise Messungen ermöglicht und ob der in der Down-Conversion-Quelle erzeugte Polarisationzustand dem für das Experiment erforderlichen reinen, verschränkten Bell-Zustand entspricht. Zur Testung des Quanten-Switch wurde das sogenannte Commutation game durchgeführt. Dabei werden zwei kommutierende oder antikommutierende Operatoren im Switch ausgeführt. Ziel ist es, mit nur einem Durchlauf durch das Experiment zu bestimmen, in welcher dieser beiden möglichen Beziehungen die Operatoren zueinander stehen. Im folgenden Text werden Aufbau und Funktionsweise des Experiments ausführlich beschrieben, beginnend mit einem Überblick über die theoretischen Hintergründe zur ICO, dem Quanten-Switch und der lokalen kausalen Ungleichung. Anschließend werden die Ergebnisse aus den Testmessungen präsentiert, zusammen mit einer Diskussion darüber, inwiefern sie Grund zu Optimismus geben, dass mit dem Experiment eine erfolgreiche Brechung der Ungleichung möglich sein wird.
description: In the realm of quantum mechanics, processes can exhibit undefined causal order, calling into question the fundamental principles of classical causality. This field of indefinite causal order (ICO) has received growing attention in recent years, particularly due to the experimental realisation of the quantum SWITCH. Nonetheless, it remains a work in progress to provide conclusive proof that these experimental setups truly create indefinite causal orders and exclude alternative explanations for the investigated results. Recently, van der Lugt et al. introduced a local causal inequality that can be broken by the quantum SWITCH. This opens the door for the first device-independent demonstration of the indefinite causal order of quantum channels in the experimental SWITCH. The aim of this master thesis was to build an experimental setup that is capable to demonstrate the violation of this inequality and to test it's performance through preliminary measurements. Two-qubit quantum state tomography was used to test whether the setup allows for sufficiently precise measurements and if the polarisation state, generated in the down-conversion source, corresponds to the pure entangled state required for the experiment. In order to evaluate the performance of the quantum switch, the commutation game was performed. This involves a series of measurements where two commuting or anticommuting operators are implemented within the SWITCH. The goal is to determine which case applies by calling each gate only once. In this work, the setup and its functionality will be described in detail following an overview of the theoretical background on indefinite causal order, the quantum switch, and the local causal inequality. The results from preliminary measurements will then be presented, along with a discussion of how they offer promising prospects for successfully realising the violation of the local causal inequality.