Новый прорыв в квантовой физике: разработан метод измерения для W-состояний

Достижение измерения запутанности W-состояния. Фото: KyotoU / Takeuchi lab

Концепция квантовой запутанности символизирует разрыв между классической и квантовой физикой. Этот ключевой аспект квантовой механики, когда невозможно описать физику каждого фотона отдельно, противоречит классическому ожиданию, что каждая частица должна иметь свою собственную реальность, что серьезно беспокоило Эйнштейна. Понимание потенциала этой концепции необходимо для реализации мощных новых квантовых технологий.

Разработка таких технологий потребует возможности свободного генерации многoфотонного квантового запутанного состояния и последующего эффективного определения типа присутствующего запутанного состояния. Однако при выполнении обычной квантовой томографии, метода, обычно используемого для оценки состояния, количество необходимых измерений растет экспоненциально с увеличением числа фотонов, что создает значительную проблему сбора данных.

Если доступно запутанное измерение, оно может идентифицировать запутанное состояние с помощью одношагового подхода. Такое измерение для запутанного квантового состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) было реализовано, но для W-состояния, другого представительного запутанного многoфотонного состояния, оно не было ни предложено, ни обнаружено экспериментально.

Это побудило команду исследователей из Университета Киото и Университета Хиросимы взяться за эту задачу, в конечном итоге добившись успеха в разработке нового метода запутанного измерения для идентификации W-состояния.

«Более чем через 25 лет после первоначального предложения относительно запутанного измерения для состояний GHZ мы наконец 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. Вставляя три одиночных фотона в устройство в соответствующих состояниях поляризации, команда смогла продемонстрировать, что устройство может различать различные типы трехфотонных W-состояний, каждое из которых соответствует определенной неклассической корреляции между тремя входными фотонами. Исследователи смогли оценить точность запутанного измерения, которая равна вероятности получения правильного результата для чистого W-состояния на входе.

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

«Для ускорения исследований и разработок квантовых технологий крайне важно углублять наше понимание основных концепций, чтобы предлагать инновационные идеи», — говорит Такеучи.

В будущем команда намерена применить свой метод к более крупномасштабному, более общему многoфотонному квантовому запутанному состоянию и планирует разработать фотонные квантовые схемы на чипе для запутанных измерений.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Киото.

Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto, and Shigeki Takeuchi. Entangled measurement for W states. Science Advances, 12 Sep 2025 DOI: 10.1126/sciadv.adx4180