Учёные разработали метод измерения W-состояний квантового запутывания — решение, ожидавшееся 25 лет

Квантовое запутывание — одно из самых странных явлений квантовой физики. В запутанной системе частицы, такие как фотоны, связаны настолько глубоко, что их свойства невозможно описать независимо друг от друга. Систему необходимо рассматривать как единое целое. Это противоречит классическому представлению о том, что каждая частица должна обладать собственной отдельной физической реальностью — особенность квантовой механики, которая исторически беспокоила Альберта Эйнштейна.

Почему измерение запутывания — сложная задача

Для развития квантовых технологий учёным нужно не только создавать многофотонные запутанные состояния, но и эффективно определять, какой тип запутанного состояния они получили. Стандартный подход — квантовая томография, техника реконструкции квантового состояния через множество измерений. Проблема в том, что объём требуемых данных растёт экспоненциально с увеличением числа фотонов. Даже скромное увеличение числа фотонов может потребовать значительно больше измерений.

Альтернатива: запутанное измерение

Запутанное измерение предлагает более эффективный подход. Вместо сбора большого количества данных и последующей реконструкции состояния, такое измерение может идентифицировать запутанное состояние за один раз. Учёные уже разработали такой метод для состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) — одной из наиболее известных форм многофотонного запутывания. Однако для W-состояния, другого важного типа многофотонного запутывания, сравнимый метод не был предложен или экспериментально продемонстрирован.

Как работает новый метод

Исследователи построили свой подход на математическом свойстве W-состояния, известном как циклическая симметрия сдвига. Проще говоря, расположение фотонов можно сдвигать в повторяющемся цикле, сохраняя при этом важный базовый паттерн. На основе этой симметрии команда теоретически разработала запутанное измерение с использованием фотонной квантовой схемы. Схема выполняет квантовое преобразование Фурье — математическую операцию, которая может переорганизовать квантовую информацию так, чтобы выявить трудно обнаруживаемые паттерны. По принципу метод применим к W-состояниям с любым числом фотонов.

Экспериментальная демонстрация

Исследователи построили устройство для проверки идеи с тремя фотонами. Они использовали высокостабильные оптические квантовые схемы, способные работать длительное время без активного управления. Отправляя три отдельных фотона в устройство с тщательно выбранными состояниями поляризации, учёные показали, что система может различать разные типы трёхфотонных W-состояний. Каждое из этих состояний представляет определённую некласическую корреляцию, общую для трёх входящих фотонов. Команда также измерила верность запутанного измерения — показатель того, насколько надёжно квантовая система выполняет предполагаемую задачу.

Применение в квантовых технологиях

Это достижение может иметь значение для нескольких областей квантовых технологий. Одна из них — квантовая телепортация, процесс передачи квантовой информации из одного места в другое. Несмотря на название, квантовая телепортация не транспортирует материю физически. Вместо этого она использует запутывание для передачи квантового состояния, содержащего информацию. Новый метод измерения также может способствовать разработке новых протоколов квантовой коммуникации, методов передачи многофотонных квантовых запутанных состояний и новых форм измерительного квантового вычисления.

Планы на будущее

Исследователи планируют расширить свой подход за пределы трёхфотонной демонстрации. Долгосрочная цель — применить метод к запутанным состояниям с большим числом фотонов и более общим многофотонным квантовым состояниям. Команда также намерена разработать встроенные фотонные квантовые схемы, способные выполнять запутанные измерения, что потенциально сделает технологию более компактной и простой в интеграции в будущие квантовые системы.