Измерение запутанности состояния W. Источник: Киотский университет / лаборатория Такеучи

Квантовая запутанность — одно из самых странных различий между повседневной физикой и квантовым миром. В запутанной системе частицы, такие как фотоны, настолько тесно связаны друг с другом, что их свойства нельзя полностью описать по отдельности. Вместо этого систему нужно рассматривать как единое целое.

Эта идея противоречит классическому представлению о том, что каждая частица должна обладать собственной физической реальностью. Эта особенность квантовой механики, как известно, беспокоила Альберта Эйнштейна. Тем не менее запутанность сегодня считается одним из важнейших компонентов новых квантовых технологий, включая передовые средства связи, вычисления и передачи информации.

Проблема измерения квантовой запутанности

Для создания таких технологий ученым потребуется не только создавать многофотонные запутанные состояния, но и эффективно определять, какой тип запутанного состояния они получили.

Один из стандартных подходов — квантовая томография, метод, используемый для реконструкции и оценки квантового состояния путем проведения множества измерений. Сложность заключается в том, что объем необходимых данных растет в геометрической прогрессии по мере увеличения количества фотонов. Таким образом, система, в которой количество фотонов увеличивается незначительно, может потребовать гораздо большего количества измерений.

Запутанное измерение — потенциально гораздо более эффективная альтернатива. Вместо того чтобы собирать большое количество измерений и реконструировать состояние впоследствии, этот тип измерения позволяет идентифицировать запутанное состояние с помощью однократного подхода.

Ученые уже провели такое измерение для состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера — GHZ — одной из самых известных форм многофотонной запутанности. Но для состояния W, еще одного важного типа многофотонной запутанности, не было предложено и экспериментально доказано аналогичного метода. Исследователи из Киотского и Хиросимского университетов решили восполнить этот пробел. В результате их работы появился новый метод проведения запутанного измерения, который позволяет идентифицировать W-состояние.

«Спустя более 25 лет после первого предложения об использовании запутанного измерения для состояний, описываемых неравенством Белла, мы наконец получили возможность проводить запутанное измерение и для W-состояния, что было подтверждено экспериментально на примере трехфотонных W-состояний», — говорит автор исследования Сигэки Такеучи.

Использование симметрии для идентификации W-состояния

Исследователи построили свой подход на математическом свойстве W-состояния, известном как симметрия циклического сдвига. Проще говоря, расположение фотонов может меняться в повторяющемся цикле, сохраняя при этом важную базовую структуру. Используя эту симметрию, команда теоретически разработала метод запутанного измерения на основе фотонной квантовой схемы. Схема выполняет квантовое преобразование Фурье — математическую операцию, которая может преобразовывать квантовую информацию таким образом, чтобы выявить закономерности, которые иначе было бы сложно обнаружить. Предложенный ими метод в принципе можно применить к W-состояниям, содержащим любое количество фотонов.

Затем исследователи сконструировали устройство для проверки этой идеи на трех фотонах. Они использовали высокостабильные оптические квантовые схемы, которые могут работать в течение длительного времени без активного управления. Исследователи показали, что система может различать разные типы трехфотонных W-состояний, отправив в нее три отдельных фотона с тщательно подобранными поляризационными состояниями. Каждое из этих состояний представляет собой особую неклассическую корреляцию, присущую трем входящим фотонам.

Команда также измерила точность запутанного измерения. Точность показывает, насколько надежно квантовая система выполняет поставленную задачу. В данном случае она соответствует вероятности того, что устройство выдаст правильный результат при получении чистого W-состояния.

Новый инструмент для квантовой телепортации

Это достижение может иметь значение для нескольких областей квантовых технологий. Одна из них — квантовая телепортация, процесс передачи квантовой информации из одного места в другое. Несмотря на название, квантовая телепортация не предполагает физическую транспортировку материи. Вместо этого она использует квантовую запутанность для передачи квантового состояния, содержащего информацию. Новый подход к измерениям также может способствовать разработке новых протоколов квантовой связи, методов передачи многофотонных квантовых запутанных состояний и новых форм квантовых вычислений на основе измерений.

«Чтобы ускорить исследования и разработку квантовых технологий, крайне важно углубить наше понимание базовых концепций и генерировать инновационные идеи», — говорит Такеучи.

Масштабирование метода для работы с более крупными квантовыми системами

Теперь исследователи планируют выйти за рамки демонстрации с тремя фотонами.

Их долгосрочная цель — применить этот метод к более масштабным и универсальным многофотонным квантовым запутанным состояниям. Команда также намерена разработать фотонные квантовые схемы на кристалле, способные выполнять запутанные измерения. Это потенциально сделает технологию более компактной и простой для интеграции в будущие квантовые системы.