Учёные из Киотского и Хиросимского университетов разработали и экспериментально проверили метод, позволяющий распознавать трёхфотонное W-состояние — один из видов многоквантовой запутанности. Результаты работы могут использоваться в развитии квантовой связи, вычислений и передачи информации. Об исследовании сообщает ScienceDaily.
Квантовая запутанность возникает, когда свойства частиц оказываются настолько тесно связаны, что их нельзя полностью описать по отдельности. В таком случае систему приходится рассматривать как единое целое. Это противоречит классическому представлению о самостоятельной физической реальности каждой частицы и было одной из особенностей квантовой механики, которые вызывали сомнения у Альберта Эйнштейна.
Для изучения запутанных состояний обычно применяют квантовую томографию — восстановление состояния по результатам большого числа измерений. Однако при увеличении количества фотонов объём необходимых данных растёт экспоненциально. Более эффективной альтернативой считается запутанное измерение, способное определить состояние за один сеанс, без последующей реконструкции по массиву данных.
Ранее подобный подход удалось реализовать для состояния Гринбергера—Хорна—Цайлингера, или GHZ-состояния. Для W-состояния сопоставимый метод до сих пор не был ни предложен, ни подтверждён экспериментально. «Более чем через 25 лет после первоначального предложения запутанного измерения для GHZ-состояний мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния, а также провели полноценную демонстрацию на трёхфотонных W-состояниях», — заявил автор исследования Сигэки Такэути.
В основе новой схемы лежит циклическая симметрия W-состояния: при последовательном смещении расположения фотонов сохраняется ключевая структура системы. Исследователи создали фотонную квантовую схему с квантовым преобразованием Фурье, которое помогает выявлять скрытые закономерности в квантовой информации. Теоретически этот метод подходит для W-состояний с любым числом фотонов, а экспериментальную установку проверили на трёх фотонах с заданными поляризациями.
Стабильные оптические схемы позволили различать разные варианты трёхфотонных W-состояний и оценить точность измерения. Она показывает вероятность правильного результата при подаче на устройство чистого W-состояния. Учёные намерены распространить метод на более крупные многоквантовые системы и создать компактные фотонные схемы на одном чипе, которые можно будет интегрировать в будущие квантовые устройства. По словам Такэути, для ускорения разработки квантовых технологий необходимо глубже изучать базовые принципы и находить новые решения.