Квантовая телепортация: учёные решили задачу запутанности, стоявшую 25 лет

Квантовая запутанность — одно из самых странных отличий квантового мира от повседневной физики. В запутанной системе частицы, например фотоны, связаны настолько глубоко, что их свойства невозможно полностью описать по отдельности — систему приходится рассматривать как единое целое.

Это противоречит классическому представлению о том, что каждая частица обладает собственной независимой физической реальностью. Именно эта особенность квантовой механики когда-то всерьёз беспокоила Альберта Эйнштейна. Сегодня запутанность считается одним из ключевых элементов для новых квантовых технологий — связи, вычислений и передачи информации.

Проблема измерения запутанности

Для создания таких технологий учёным нужно не только получать многофотонные запутанные состояния, но и эффективно определять, какой именно тип запутанного состояния был получен.

Стандартный подход — квантовая томография, при которой состояние восстанавливается по множеству измерений. Сложность в том, что объём необходимых данных растёт экспоненциально с добавлением каждого фотона. Даже небольшое увеличение числа фотонов резко увеличивает число измерений.

Запутанное измерение предлагает куда более эффективную альтернативу: вместо сбора множества данных и последующей реконструкции состояния оно позволяет определить запутанное состояние за один подход.

Учёные уже реализовали такое измерение для состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ) — одной из наиболее известных форм многофотонной запутанности. Однако сопоставимого метода для W-состояния, другого важного типа запутанного многофотонного состояния, до сих пор не существовало.

Исследователи из Киотского и Хиросимского университетов взялись восполнить этот пробел. Результатом их работы стал новый метод запутанного измерения, позволяющий идентифицировать W-состояние.

«Спустя более 25 лет после первого предложения о запутанном измерении для GHZ-состояний мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния, с реальной экспериментальной демонстрацией для трёхфотонных W-состояний», — говорит Шигеки Такеучи, один из авторов работы.

Использование симметрии для идентификации W-состояния

В основе подхода лежит математическое свойство W-состояния — симметрия циклического сдвига. Проще говоря, расположение фотонов можно циклически смещать, сохраняя важную внутреннюю закономерность.

Опираясь на эту симметрию, команда теоретически разработала запутанное измерение на базе фотонного квантового контура. Контур выполняет квантовое преобразование Фурье — математическую операцию, перестраивающую квантовую информацию так, чтобы выявить труднообнаружимые закономерности. Предложенный метод в принципе применим к W-состояниям с любым числом фотонов.

Затем исследователи построили устройство для проверки идеи на трёх фотонах, используя высокостабильные оптические квантовые схемы, способные работать долго без активного управления.

Подавая три отдельных фотона с тщательно подобранными состояниями поляризации, учёные показали, что система способна различать разные типы трёхфотонных W-состояний. Каждое из них представляет особую неклассическую корреляцию между тремя входящими фотонами.

Команда также измерила точность (fidelity) запутанного измерения — она показывает, насколько надёжно квантовая система выполняет задачу. В данном случае это вероятность того, что устройство выдаст правильный результат при подаче чистого W-состояния.

Новый инструмент для квантовой телепортации

Достижение может повлиять на несколько областей квантовых технологий.

Одна из них — квантовая телепортация, переносящая квантовую информацию из одной точки в другую. Несмотря на название, она не перемещает материю физически, а использует запутанность для передачи квантового состояния, содержащего информацию.

Новый метод измерения может также способствовать созданию новых протоколов квантовой связи, методов передачи многофотонных запутанных состояний и новых форм квантовых вычислений на основе измерений.

«Чтобы ускорить исследования и разработку квантовых технологий, критически важно углублять понимание базовых концепций для появления инновационных идей», — говорит Такеучи.

Масштабирование метода на большие квантовые системы

Теперь исследователи планируют выйти за рамки демонстрации на трёх фотонах. Их долгосрочная цель — применить метод к более крупным и общим многофотонным запутанным состояниям. Команда также намерена разработать фотонные квантовые схемы на чипе, способные выполнять запутанные измерения, что сделает технологию компактнее и проще для интеграции в будущие квантовые системы.

Источники:

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