Исследователи Киотского и Хиросимского университетов разработали и экспериментально проверили метод, позволяющий распознавать W-состояние — один из типов многократной фотонной квантовой запутанности. Демонстрация проведена для системы из трёх фотонов. Результаты могут использоваться в квантовой связи, телепортации и вычислениях.
Запутанные частицы нельзя полностью описать независимо друг от друга: их свойства образуют единую систему. Это противоречит классическому представлению о самостоятельной физической реальности каждой частицы, которое вызывало сомнения у Альберта Эйнштейна. При этом запутанность считается важной основой перспективных технологий передачи информации и квантовых вычислений.
Для определения типа созданного запутанного состояния обычно применяют квантовую томографию — серию измерений, по которым восстанавливают состояние системы. Однако при увеличении числа фотонов объём необходимых данных растёт экспоненциально. Более эффективной альтернативой может стать запутанное измерение, способное определить состояние за один подход.
Ранее такой метод удалось реализовать для состояния Гринбергера—Хорна—Цайлингера, известного как GHZ-состояние. Для W-состояния сопоставимая процедура до сих пор не была ни предложена, ни подтверждена экспериментально. «Более чем через 25 лет после первоначального предложения запутанного измерения для GHZ-состояний мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния, проведя полноценную экспериментальную демонстрацию для трёхфотонных W-состояний», — сказал автор исследования Сигэки Такэути, слова которого приводит ScienceDaily.
В основе новой схемы лежит циклическая симметрия W-состояния: при последовательном циклическом сдвиге расположения фотонов сохраняется ключевая структура системы. Учёные разработали фотонную квантовую схему с преобразованием Фурье, которое помогает выявлять скрытые закономерности квантовой информации; теоретически её можно применять к W-состояниям с любым числом фотонов.
Для проверки метода команда создала устройство на основе стабильных оптических квантовых схем, способных работать длительное время без активной настройки. Три фотона с заданными состояниями поляризации подавали в систему, после чего она различала разные варианты трёхфотонных W-состояний и оценивала точность измерения. В дальнейшем исследователи намерены распространить метод на более крупные системы и создать компактные интегрируемые фотонные схемы для запутанных измерений; по словам Такэути, это должно помочь развитию протоколов квантовой связи, передаче многократных запутанных состояний и вычислениям на основе измерений.