Квантовый прорыв: ученые научились измерять W-состояния, открывая путь к телепортации

Квантовая запутанность — одно из самых странных явлений в физике, при котором частицы, такие как фотоны, оказываются настолько глубоко связаны, что их свойства невозможно описать по отдельности. Сегодня это не просто философский курьез, а ключевой элемент для будущих технологий: квантовых вычислений, связи, телепортации и сетей.

Одна из главных проблем на пути к этим технологиям — надежное определение типа созданного запутанного состояния. Стандартный метод, квантовая томография, требует экспоненциально растущего числа измерений при добавлении новых фотонов, что создает серьезное узкое место для многофотонных систем.

Более мощное решение — запутанное измерение, позволяющее идентифицировать определенные состояния за один раз. Ученые уже умели это делать для состояний Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), но другой важный тип многофотонной запутанности, W-состояние, оставался недосягаемым.

Команда из Киотского университета и Университета Хиросимы решила эту задачу, разработав метод запутанных измерений для W-состояний и экспериментально продемонстрировав его на трех фотонах.

«Спустя более 25 лет после первоначального предложения запутанного измерения для состояний GHZ мы наконец получили его и для W-состояния, с реальной экспериментальной демонстрацией для 3-фотонных W-состояний», — говорит ведущий автор исследования Сигэки Такэути.

Прорыв был достигнут благодаря фокусировке на особом свойстве W-состояний — симметрии циклического сдвига. Используя это свойство, исследователи создали фотонную квантовую схему, выполняющую квантовое преобразование Фурье для W-состояний с любым числом фотонов.

Для проверки команда построила устройство для трех фотонов на основе высокостабильных оптических квантовых схем. Система могла работать длительное время без активного контроля, что важно для будущих квантовых технологий. Устройство успешно различало различные типы трехфотонных W-состояний.

Это достижение может продвинуть квантовую телепортацию (передачу квантовой информации, а не материи), новые протоколы квантовой связи и подходы к квантовым вычислениям на основе измерений.

«Чтобы ускорить исследования и разработки квантовых технологий, крайне важно углублять наше понимание фундаментальных концепций для поиска инновационных идей», — добавляет Такэути.

Работа вписывается в общий тренд перехода квантовых систем от хрупких лабораторных демонстраций к более масштабируемым платформам. В конце 2025 года исследователи продемонстрировали полностью фотонную квантовую телепортацию, а в 2026 году другая команда сообщила об интегрированном фотонном чипе для работы с запутанностью. Квантовые сети также выходят на реальную инфраструктуру: в 2026 году исследователи протестировали трехузловую квантовую сеть через существующие оптоволоконные кабели в Нью-Йорке.

Команда из Киото и Хиросимы планирует расширить свой метод на более крупные и общие многофотонные запутанные состояния, а также разработать чиповые фотонные квантовые схемы для запутанных измерений. Успех в этом направлении сделает считывание сложных квантовых состояний более быстрым, компактным и практичным.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Киотским университетом.

Geobae Park, Holger F. Hofmann, Ryo Okamoto, Shigeki Takeuchi. Entangled measurement for W states. Science Advances, 2025; 11 (37) DOI: 10.1126/sciadv.adx4180