Физики из Киотского университета и Университета Хиросимы экспериментально измерили трехфотонную запутанность W-состояния с помощью специального оптического устройства, преодолев 25-летний барьер в измерениях в квантовой механике, о чем сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances в сентябре 2025 года.
Квантовая запутанность представляет собой одно из самых поразительных отклонений от классической физики, связывая элементарные частицы настолько глубоко, что их свойства не могут быть описаны независимо без рассмотрения системы как единого целого. Более двух десятилетий экспериментальная физика уделяла основное внимание состояниям Гринбергера — Хорна — Цайлингера, широко известным как «ванильное мороженое» систем многочастичной запутанности. Хотя состояния GHZ служили фундаментальными моделями для ранних квантовых систем, вторая конфигурация, известная как W-состояние, оставалась чрезвычайно сложной для прямого измерения.
Экспериментальное измерение состояния W с помощью оптического устройства
Исследователи из Kyoto University и Hiroshima University создали специализированное оптическое устройство на базе схемы дискретного преобразования Фурье, которое функционирует как усовершенствованный интерферометр. Ученые ввели в устройство три индивидуальных фотона с известными состояниями поляризации, позволив им пройти по разным путям, а затем сойтись заново для изучения интерференции их волновых функций.
Этот подход позволил специалистам использовать циклическую симметрию сдвига, при которой структурное описание запутанной системы не меняется при циклической перестановке ее отдельных фотонов. Добившись этого прорыва, авторы эксперимента получили возможность напрямую фиксировать тип запутанности, не прибегая к ресурсоемким методам многократного сканирования.
«Более чем через 25 лет после первог предложения об измерении запутанности для состояний GHZ мы наконец получили измерение запутанности и для W-состояния, продемонстрировав подлинный эксперимент для трехфотонных W-состояний»
Сигэки Такэути, автор-корреспондент и исследователь в области квантовой информации
Преодоление квантовой томографии и точность метода
В ходе экспериментов исследователи зафиксировали среднюю точность различения состояний на уровне 0.871 ± 0.039, что означает правильную идентификацию состояния W в 87 процентах случаев. Этот показатель уверенно превышает математический порог в 66.7 процента, необходимый для доказательства успешного измерения трехчастичной запутанности.
Команда ученых объясняет небольшое отклонение от абсолютного идеала несовершенствами в процессе подготовки фотонов и особенностями измерительной установки. Эта разработка призвана помочь преодолеть ключевые аппаратные преграды на пути развития квантовых вычислителей, сенсорики и зашифрованных коммуникационных протоколов.
Перспективы применения в квантовых сетях и коммуникациях
В отличие от систем GHZ, состояние W обладает свойством, при котором после потери одной запутанной частицы остальные могут сохранить полезное запутанное состояние. Подобная надежность делает такие конфигурации перспективными для создания отказоустойчивых квантовых сетей и передачи информации с помощью квантовой телепортации, которая использует запутанность как мост для переноса квантового состояния.
В планах исследовательской группы значится масштабирование метода для работы с более крупными и сложными многофотонными системами. Долгосрочной целью ученых является уменьшение разработанных оптических схем до формата микрочипов, что сделает технологию компактной и пригодной для масштабного практического внедрения в будущие квантовые сети.
Ещё по этой теме
