Исследовательская группа из Киотского университета и Университета Хиросимы в Японии успешно реализовала метод измерения запутанности, способный идентифицировать трёхфотонное W-состояние. Это первая реализация такого измерения для W-состояния спустя 25 лет после того, как было предложено измерение запутанности для GHZ-состояния. W-состояние является одним из основных типов многофотонной запутанности, и до сих пор его невозможно было идентифицировать с помощью однократного измерения запутанности.

Квантовая запутанность — одна из самых необычных черт квантового мира. Она описывает глубокую взаимосвязь между такими частицами, как фотоны, из-за которой систему необходимо рассматривать как единое целое. Эта концепция противоречит классическому физическому представлению о независимом существовании каждой частицы. Запутанность стала ключевым элементом будущих технологий, таких как квантовые вычисления, квантовая связь и квантовая телепортация. Для создания этих технологий учёным необходимы надёжные методы точного определения типа созданного запутанного состояния. Стандартный метод — квантовая томография — хотя и позволяет оценить квантовое состояние, но с увеличением числа фотонов количество необходимых измерений резко возрастает, создавая серьёзное узкое место. В отличие от этого, измерение запутанности способно однократно идентифицировать конкретное запутанное состояние. Ранее учёные уже реализовали такое измерение для GHZ-состояния, но для W-состояния прогресса достичь не удавалось.

Исследовательская группа сосредоточилась на свойстве циклической перестановочной симметрии W-состояния и, используя эту характеристику, предложила фотонную квантовую схему, способную выполнять квантовое преобразование Фурье над W-состоянием с произвольным числом фотонов, преобразуя скрытую структуру в измеримый сигнал. Они построили устройство для трёх фотонов, используя высокостабильную оптическую квантовую схему, которая способна работать длительное время без активного контроля. Исследователи ввели в устройство три одиночных фотона с тщательно подобранными состояниями поляризации, и устройство успешно различило различные типы трёхфотонных W-состояний, каждое из которых представляет собой специфическую неклассическую корреляцию между тремя входящими фотонами. Команда также оценила точность измерения запутанности, то есть вероятность того, что устройство выдаст правильный результат, когда на вход подаётся чистое W-состояние.

«Спустя более чем 25 лет после того, как было впервые предложено измерение запутанности для GHZ-состояния, мы наконец получили измерение запутанности и для W-состояния и провели реальную экспериментальную демонстрацию для трёхфотонного W-состояния», — заявил автор-корреспондент Сигеки Такэути. Это достижение может стимулировать развитие квантовой телепортации, новых протоколов квантовой связи и квантовых вычислений на основе измерений. Такэути сказал: «Чтобы ускорить исследования и разработки в области квантовых технологий, крайне важно углублять понимание фундаментальных концепций и предлагать инновационные идеи». Эта работа продвигает квантовую связь и фотонные квантовые системы от лабораторных демонстраций к более масштабируемым платформам. После исследований W-состояния в 2025 году в этой области продолжается прогресс: в конце 2025 года исследователи осуществили полностью фотонную квантовую телепортацию, используя фотоны из разных квантовых точек; в 2026 году другая группа сообщила об интегральном фотонном чипе, способном генерировать, манипулировать и измерять многочастичную запутанность кластерных состояний; в том же году исследователи протестировали трёхузловую квантовую сеть на оптоволоконном кабеле в Нью-Йорке, соединяя квантовые каналы с помощью обмена запутанностью. Эти достижения подчёркивают долгосрочную потребность в точных измерениях запутанности. Команда Киотского университета и Университета Хиросимы планирует расширить метод на более крупные и общие многофотонные запутанные состояния, а также разработать фотонные квантовые схемы на чипе для измерения запутанности.

Информация о публикации: Название: «Quantum breakthrough could revolutionize teleportation and computing»; Опубликовано в: «Science Advances» (2025); Данные журнала: Science Advances