Квантовая запутанность — одно из самых необычных явлений, отличающих повседневную физику от квантового мира. В запутанной системе частицы, например фотоны, связаны настолько тесно, что их свойства невозможно описать по отдельности. Вместо этого всю систему приходится рассматривать как единое целое.
Такой подход противоречит классическому представлению о том, что каждая частица обладает собственной независимой физической реальностью. Именно эта особенность квантовой механики когда-то всерьёз беспокоила Альберта Эйнштейна. Сегодня запутанность считается одним из ключевых элементов для создания перспективных квантовых технологий, включая связь, вычисления и передачу информации.
Для развития этих технологий учёным необходимо не только создавать многофотонные запутанные состояния, но и эффективно определять, какой именно тип запутанного состояния был получен. Обычный метод — квантовая томография, при которой состояние восстанавливают по множеству измерений. Однако объём необходимых данных растёт экспоненциально с увеличением числа фотонов, поэтому даже небольшое их добавление резко увеличивает число измерений.
Альтернативой служит запутанное измерение, позволяющее определить состояние за один подход, без сбора большого массива данных. Ранее такой метод уже был реализован для состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ), одного из наиболее известных видов многофотонной запутанности. Однако для W-состояния, другого важного типа запутанного многофотонного состояния, подобный метод не был ни предложен, ни продемонстрирован экспериментально.
Исследователи из Киотского и Хиросимского университетов разработали новый метод запутанного измерения, позволяющий идентифицировать W-состояние. «Спустя более 25 лет после первоначального предложения о запутанном измерении для GHZ-состояний мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния, с подлинной экспериментальной демонстрацией для трёхфотонных W-состояний», — приводит слова корреспондента автора Сигеки Такэути сайт ScienceDaily. В основе подхода лежит математическое свойство W-состояния — циклическая симметрия сдвига, при которой расположение фотонов можно циклически смещать, сохраняя важную внутреннюю структуру. С помощью этой симметрии команда теоретически разработала запутанное измерение на основе фотонного квантового схемы, выполняющей квантовое преобразование Фурье — математическую операцию, помогающую выявлять скрытые закономерности. Метод в принципе применим к W-состояниям с любым числом фотонов.
Для проверки идеи учёные создали устройство на трёх фотонах, используя высокостабильные оптические квантовые схемы, способные работать длительное время без активного управления. Подавая три отдельных фотона с тщательно подобранными состояниями поляризации, исследователи показали, что система различает разные типы трёхфотонных W-состояний, каждое из которых отражает особую неклассическую корреляцию между фотонами. Команда также измерила точность (fidelity — достоверность) запутанного измерения, то есть вероятность правильного результата при подаче чистого W-состояния. Разработка может найти применение в квантовой телепортации, которая переносит квантовую информацию между точками, не перемещая материю, а используя запутанность, а также в новых протоколах квантовой связи, методах передачи многофотонных запутанных состояний и измерительных квантовых вычислениях. «Чтобы ускорить исследования и разработки в области квантовых технологий, крайне важно углублять понимание базовых концепций для появления инновационных идей», — отметил Такэути. В дальнейшем исследователи планируют распространить метод за пределы трёхфотонной демонстрации на более крупные и общие многофотонные запутанные состояния, а также создать фотонные квантовые схемы на чипе для выполнения запутанных измерений, что сделает технологию компактнее и удобнее для интеграции в будущие квантовые системы.