Computing Power of Quantum Mechanics There is much interest in developing quantum computers in order to perform certain tasks much faster than, or that are intractable for, a classical computer. A general quantum computer, however, requires the fabrication and operation a number of quantum logic devices (see the Perspective by Franson ). Broome et al. (p. 794 , published online 20 December) and Spring et al. (p. 798 , published online 20 December) describe experiments in which single photons and quantum interference were used to perform a calculation (the permanent of a matrix) that is very difficult on a classical computer. Similar to random walks, quantum walks on a graph describe the movement of a walker on a set of predetermined paths; instead of flipping a coin to decide which way to go at each point, a quantum walker can take several paths at once. Childs et al. (p. 791 ) propose an architecture for a quantum computer, based on quantum walks of multiple interacting walkers. The system is capable of performing any quantum operation using a subset of its nodes, with the size of the subset scaling favorably with the complexity of the operation.

Topological phases exhibit some of the most striking phenomena in modern physics. Much of the rich behaviour of quantum Hall systems, topological insulators, and topological superconductors can be traced to the existence of robust bound states at interfaces between different topological phases. This robustness has applications in metrology and holds promise for future uses in quantum computing. Engineered quantum systems—notably in photonics, where wavefunctions can be observed directly—provide versatile platforms for creating and probing a variety of topological phases. Here we use photonic quantum walks to observe bound states between systems with different bulk topological properties and demonstrate their robustness to perturbations—a signature of topological protection. Although such bound states are usually discussed for static (time-independent) systems, here we demonstrate their existence in an explicitly time-dependent situation. Moreover, we discover a new phenomenon: a topologically protected pair of bound states unique to periodically driven systems. Topological phases are unusual states of matter whose properties are robust against small perturbations. Using a photonic quantum walk system, Kitagawaet al. simulate one-dimensional topological phases and reveal novel topological phenomena far from the static or adiabatic regimes.

We demonstrate a wavelength-tunable, fiber-coupled source of polarization- entangled photons with extremely high spectral brightness and quality of entanglement. Using a 25 mm PPKTP crystal inside a polarization Sagnac interferometer we detect a spectral brightness of 273000 pairs (s mW nm)(-1), a factor of 28 better than comparable previous sources while state tomography showed the two-photon state to have a tangle of T = 0.987. This improvement was achieved by use of a long crystal, careful selection of focusing parameters and single-mode fiber coupling. We demonstrate that, due to the particular geometry of the setup, the signal and idler wavelengths can be tuned over a wide range without loss of entanglement.

Quantum walks have a host of applications, ranging from quantum computing to the simulation of biological systems. We present an intrinsically stable, deterministic implementation of discrete quantum walks with single photons in space. The number of optical elements required scales linearly with the number of steps. We measure walks with up to 6 steps and explore the quantum-to-classical transition by introducing tunable decoherence. Finally, we also investigate the effect of absorbing boundaries and show that decoherence significantly affects the probability of absorption.

Bell’s theorem shows that local realistic theories place strong restrictions on observable correlations between different systems, giving rise to Bell’s inequality which can be violated in experiments using entangled quantum states. Bell’s theorem is based on the assumptions of realism, locality, and the freedom to choose between measurement settings. In experimental tests, “loopholes” arise which allow observed violations to still be explained by local realistic theories. Violating Bell’s inequality while simultaneously closing all such loopholes is one of the most significant still open challenges in fundamental physics today. In this paper, we present an experiment that violates Bell’s inequality while simultaneously closing the locality loophole and addressing the freedom-of-choice loophole, also closing the latter within a reasonable set of assumptions. We also explain that the locality and freedom-of-choice loopholes can be closed only within nondeterminism, i.e., in the context of stochastic local realism.

Quantum steering allows two parties to verify shared entanglement even if one measurement device is untrusted. A conclusive demonstration of steering through the violation of a steering inequality is of considerable fundamental interest and opens up applications in quantum communication. To date all experimental tests with single photon states have relied on post-selection, allowing untrusted devices to cheat by hiding unfavourable events in losses. Here we close this "detection loophole" by combining a highly efficient source of entangled photon pairs with superconducting transition edge sensors. We achieve an unprecedented ~62% conditional detection efficiency of entangled photons and violate a steering inequality with the minimal number of measurement settings by 48 standard deviations. Our results provide a clear path to practical applications of steering and to a photonic loophole-free Bell test.

The Morra game, an age-old noncooperative game, traditionally played on one's hand, has proved to be a rich setting to study game-theoretic strategies, both classically and within the quantum realm. In this paper, we study a faithful translation of a two-player quantum Morra game, which builds on previous study by including the classical game as a special case. We propose a natural deformation of the game in the quantum regime in which Alice has a winning advantage, breaking the balance of the classical game. A Nash equilibrium can be found in some cases by employing a pure strategy, which is impossible in the classical game where a mixed strategy is always required. We prepared our states using photonic qubits on a linear optics setup, with an average deviation ≤2% with respect to the measured outcome probabilities. Finally, we discuss potential applications of the quantum Morra game to the study of quantum information and communication. Published by the American Physical Society 2024

Abstract Quantum networks connect and supply a large number of nodes with multi-party quantum resources for secure communication, networked quantum computing and distributed sensing. As these networks grow in size, certification tools will be required to answer questions regarding their properties. In this work we demonstrate a general method to guarantee that certain correlations cannot be generated in a given quantum network. We apply quantum inflation methods to data obtained in quantum group encryption experiments, guaranteeing the impossibility of producing the observed results in networks with fewer optical elements. Our results pave the way for scalable methods of obtaining device-independent guarantees on the network structure underlying multipartite quantum protocols.