Ученые впервые измерили квантовое состояние W с помощью запутанных фотонов

Измерение запутанности W-состояния. Автор: KyotoU / Takeuchi lab

Концепция квантовой запутанности является символом разрыва между классической и квантовой физикой. Этот ключевой аспект квантовой механики, когда невозможно описать физику каждого фотона по отдельности, противоречит классическому представлению о том, что каждая частица должна иметь собственную реальность, что серьезно беспокоило Эйнштейна.

Понимание потенциала этой концепции необходимо для реализации мощных новых квантовых технологий.

Разработка таких технологий потребует возможности свободного генерации многoфотонных квантово-запутанных состояний и последующей эффективной идентификации типа запутанности. Однако при использовании традиционной квантовой томографии, метода, обычно применяемого для оценки состояния, количество необходимых измерений растет экспоненциально с увеличением числа фотонов, что создает серьезную проблему сбора данных.

Запутанное измерение может идентифицировать запутанное состояние одноэтапным подходом. Такое измерение для квантового состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) уже было реализовано, но для W-состояния, другого представительного многoфотонного запутанного состояния, оно до сих пор не было предложено или экспериментально обнаружено.

Это побудило команду исследователей из Университета Киото и Университета Хиросимы взяться за эту задачу, и в итоге им удалось разработать новый метод запутанного измерения для идентификации W-состояния. Статья опубликована в журнале Science Advances.

«Более чем через 25 лет после первоначального предложения о запутанном измерении для состояний GHZ мы наконец-то получили запутанное измерение и для W-состояния, с подлинной экспериментальной демонстрацией для 3-фотонных W-состояний», — говорит автор-корреспондент Шигеки Такеучи.

Команда сосредоточилась на характеристиках циклической симметрии сдвига W-состояния и теоретически предложила метод создания запутанного измерения с использованием фотонной квантовой схемы, выполняющей квантовое преобразование Фурье для W-состояния любого количества фотонов.

Они создали устройство для демонстрации предложенного метода для трех фотонов с использованием высокостабильных оптических квантовых схем, что позволило устройству стабильно работать без активного управления в течение длительного периода времени.

Вводя три одиночных фотона в устройство в соответствующих состояниях поляризации, команда смогла продемонстрировать, что устройство может различать различные типы трехфотонных W-состояний, каждый из которых соответствует определенной неклассической корреляции между тремя входными фотонами.

Исследователям удалось оценить точность запутанного измерения, которая равна вероятности получения правильного результата для входного чистого W-состояния.

Это достижение открывает двери для квантовой телепортации, или передачи квантовой информации. Оно также может привести к новым протоколам квантовой связи, передаче многoфотонных квантово-запутанных состояний и новым методам измерений на основе квантовых вычислений.

«Чтобы ускорить исследования и разработки в области квантовых технологий, крайне важно углублять понимание основных концепций для создания инновационных идей», — говорит Такеучи.

В будущем команда планирует применить свой метод к более крупным и общим многoфотонным квантово-запутанным состояниям и разработать фотонные квантовые схемы на чипе для запутанных измерений.

Больше информации: Geobae Park et al, Entangled Measurement for W states, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx4180. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx4180

Источник: Kyoto University