Запутанность — одно из самых странных явлений квантового мира, где частицы, такие как фотоны, оказываются настолько глубоко связанными, что их невозможно описать по отдельности. Это свойство, смущавшее еще Эйнштейна, сегодня лежит в основе многих перспективных технологий: квантовых компьютеров, квантовой связи, телепортации и квантовых сетей. Однако для их реализации ученым нужны надежные способы точно определять тип созданного запутанного состояния. Стандартный метод — квантовая томография — требует экспоненциально растущего числа измерений при добавлении новых частиц, что делает его непрактичным для сложных систем.
Гораздо более мощным решением являются запутанные измерения, которые позволяют идентифицировать определенные состояния за один заход. Ранее ученые продемонстрировали такой метод для состояний GHZ, но для другого важного класса — W-состояний — задача оставалась нерешенной более 25 лет. Команда из Университета Киото и Университета Хиросимы наконец нашла ключ к разгадке, сосредоточившись на особом свойстве W-состояний — циклической симметрии сдвига. Используя его, исследователи предложили фотонный квантовый контур, выполняющий квантовое преобразование Фурье для W-состояний, что позволило превратить скрытую структуру состояния в измеримый сигнал.
Для проверки теории исследователи создали устройство на трех фотонах с использованием высокостабильных оптических квантовых схем. Система работала без активной настройки в течение длительного времени — важная особенность для будущих квантовых устройств. Эксперимент показал, что устройство способно различать разные типы трехфотонных W-состояний, представляющих специфические неклассические корреляции между фотонами. Это достижение может существенно продвинуть квантовую телепортацию и поддержать новые протоколы связи.
«Чтобы ускорить исследования и разработки квантовых технологий, крайне важно углублять понимание фундаментальных концепций и искать инновационные идеи», — отмечает ведущий автор Сигэки Такэути. Команда планирует расширить метод на более крупные многофотонные состояния и разработать чиповые квантовые схемы для запутанных измерений. Если это удастся, считывание сложных квантовых состояний станет быстрее, компактнее и практичнее для создания будущих квантовых компьютеров и сетей.
Источник: Quantum breakthrough could revolutionize teleportation and computing