Новый метод позволяет выявить скрытый порядок в квантовых системах, что может изменить подходы к их измерению и использованию.

Давняя проблема квантовой физики, возможно, наконец нашла практическое решение. Исследователи из Японии разработали новый способ определения сложных квантовых состояний за один шаг, что потенциально устраняет одно из самых серьезных препятствий на пути к созданию реальных квантовых технологий.

Новое достижение связано с особым типом запутанности, известным как W-состояние. В отличие от других хорошо известных квантовых состояний, W-состояния более устойчивы. Даже если одна частица потеряется, остальные могут оставаться сцепленными. Это делает их особенно привлекательными для систем квантовой связи, в которых потери неизбежны.

Почему W-состояния сложно измерить

Несмотря на свои преимущества, W-состояния сложно измерить. Традиционные методы основаны на квантовой томографии, которая требует огромного количества повторных измерений. По мере увеличения количества фотонов нагрузка возрастает в геометрической прогрессии, что делает процесс медленным и непрактичным.

Ученые давно знают, что в принципе существует более эффективный метод. С помощью запутанных измерений можно получить полную информацию о состоянии за одну операцию. Это уже было продемонстрировано на более простых системах и на состояниях Гринбергера — Хорна — Цайлингера, или GHZ-состояниях. Но до сих пор никто не пытался применить эту идею к W-состояниям.

Команда из Университета Киото и Университета Хиросимы решила восполнить этот пробел.

Новый подход с использованием симметрии

«Спустя более 25 лет после первого предложения о запутанном измерении для состояний с гигантскими осцилляциями мы наконец получили возможность проводить запутанное измерение для состояния W, что было подтверждено экспериментально на 3-фотонных состояниях W», — говорит автор исследования Сигэки Такеучи.

Вместо того чтобы решать проблему напрямую, исследователи сосредоточились на скрытом свойстве W-состояний, называемом симметрией циклического сдвига. Это свойство означает, что общее состояние не меняется при изменении положения фотонов. Разработав оптическую систему, которая фиксирует эту симметрию, они нашли способ напрямую идентифицировать состояние.

В их устройстве используются тщательно подготовленные фотоны, которые проходят через сеть оптических компонентов, выполняющих преобразование, известное как преобразование Фурье. По тому, как фотоны выходят из системы, можно определить, в каком W-состоянии они находились, что избавляет от необходимости собирать большие объемы данных.

Экспериментальная проверка

Чтобы проверить эту идею, команда создала стабильную трехфотонную установку, которая могла работать в течение длительного времени без перенастройки. Система успешно различала разные состояния W, подтвердив, что этот подход работает на практике.

Это открытие открывает путь к таким достижениям, как квантовая телепортация, а также к более безопасным способам связи и новым формам распределенных квантовых вычислений. Благодаря тому, что запутанность стало проще измерять, этот метод также может помочь в создании более надежных и масштабируемых квантовых сетей, состоящих из множества взаимосвязанных систем.

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

Следующий шаг — масштабирование технологии для более крупных систем и интеграция ее в компактные фотонные чипы. Если это удастся, квантовые технологии смогут выйти за пределы лабораторий и стать частью нашей повседневной жизни.