Физики из Киотского университета и Хиросимского университета провели одномоментное измерение W-состояния квантовой запутанности в трех фотонах с использованием специализированного оптического устройства, преодолев 25-летний технологический барьер в исследовании квантовой физики.
Квантовая запутанность остается одним из самых интригующих разделений между микромиром и макроскопической реальностью. Когда фундаментальные частицы, такие как электроны или фотоны, оказываются запутанными, они делят общую квантовую идентичность и не могут описываться как отдельные объекты. Они пребывают в суперпозиции без фиксированного состояния до тех пор, пока хотя бы одна из частиц не будет измерена. Это явление преодолевает любые физические расстояния, однако сами результаты измерений остаются случайными и не передают полезной информации.
Тем не менее, запутанность жизненно важна для развития квантовых информационных технологий. Для создания подобных технологий ученым необходимо не только создавать многофотонные запутанные состояния, но и эффективно определять, какой именно тип запутанного состояния им удалось получить. Главные трудности заключаются в увеличении числа запутываемых частиц и в создании эффективных методов их измерения. До сих пор ученые преимущественно работали с состояниями Гринбергера — Хорна — Цайлингера — известными как GHZ-состояния, которые исследователи называют базовым «ванильным мороженым» многочастичной запутанности.
Экспериментальный прорыв Киотского и Хиросимского университетов
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances в сентябре 2025 года, физики впервые представили методику измерения так называемых W-состояний. В отличие от GHZ-систем, W-состояния обладают большей сложностью и принципиально иным свойством: если одна из запутанных частиц теряется, оставшиеся элементы сохраняют полезную запутанность. Подобные технологии в перспективе смогут обеспечить максимальную защиту наших учетных записей программ лояльности — если только хакер, претендующий на пиццу, также не обладает доступом к квантовому компьютеру.
Исследователь в области квантовой информации Сигэки Такэути заявил: «Спустя более чем 25 лет после того, как было впервые предложено проводить запутанное измерение для GHZ-состояний, мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния, продемонстрировав его в реальном эксперименте для 3-фотонных W-состояний».
Традиционно для анализа квантово-запутанных систем применяется квантовая томография — метод, используемый для реконструкции и оценки квантового состояния путем проведения многочисленных измерений. Этот подход создает два серьезных практических препятствия. Во-первых, исследователям приходится создавать огромное количество идентичных запутанных систем, так как само измерение разрушает квантовое состояние. Во-вторых, объем необходимых измерений экспоненциально возрастает вместе с увеличением числа частиц.
Дискретное преобразование Фурье и циклическая симметрия сдвига
Чтобы обойти эти ограничения, авторы научной работы разработали принципиально новый одномоментный подход.
В ходе эксперимента исследователи пропускали через устройство три фотона с известной поляризацией. Система направляла их по разным путям, а затем сводила обратно для изучения интерференции их волновых функций. Такой метод позволил проанализировать циклическую симметрию сдвига, которая построена вокруг математического свойства W-состояния. Данное свойство означает, что структурное описание квантовой системы не меняется при циклической перестановке ее индивидуальных фотонов.
Точность измерений и перспективы квантовых технологий
Исследователь в области квантовой информации Сигэки Такэути назвал этот эксперимент реальной демонстрацией измерения W-состояний трех фотонов. В ходе испытаний ученые зафиксировали среднюю точность различения состояний, составившую 0.871 ± 0.039. Небольшое отклонение от идеального показателя исследователи связывают с несовершенством процесса подготовки фотонов и настройки самого измерительного оборудования.
Автор-корреспондент Сигэки Такэути отметил: «Чтобы ускорить исследования и разработку квантовых технологий, крайне важно углубить наше понимание базовых концепций и генерировать инновационные идеи».
Полученные результаты открывают новые возможности для развития фотонных квантовых схем на чипе, способных выполнять запутанные измерения, что сделает технологию более компактной и простой для интеграции в будущие квантовые системы.
По теме
