Квантов пробив: учените успяха да измерят W-състоянията, отваряйки пътя към телепортацията

Квантовото заплитане е едно от най-странните явления във физиката, при което частици като фотоните са толкова дълбоко свързани, че техните свойства не могат да бъдат описани поотделно. Днес това не е просто философия, а ключов елемент за бъдещите технологии: квантови изчисления, комуникации, телепортация и мрежи.

Един от основните проблеми по пътя към тези технологии е надеждното определяне на типа на създаденото заплетено състояние. Стандартният метод (квантовата томография) изисква експоненциално нарастващ брой измервания при добавянето на нови фотони, което създава сериозно препятствие за многофотонните системи. По-мощно решение е заплетеното измерване, което позволява идентифицирането на определени състояния с едно измерване. Учените вече знаеха как да правят това за състоянията на Грийнбергер-Хорн-Цайлингер (GHZ), но друг важен тип многофотонна заплетеност, W-състоянието оставаше недостижим – досега.

Екип от учени от Университета в Киото и Университета в Хирошима реши тази задача, като разработи метод за заплетени измервания за W-състояния и експериментално го демонстрира върху три фотона.

„Повече от 25 години след първоначалното предложение за заплетено измерване на GHZ-състоянията най-накрая успяхме да го реализираме и за W-състоянията, с реална експериментална демонстрация за 3-фотонни W-състояния.“

заяви водещият автор на изследването Шигеки Такеути

Пробивът беше постигнат благодарение на фокусирането върху специфичното свойство на W-състоянията – симетрията на цикличното преместване. Използвайки това свойство, изследователите създадоха фотонна квантова схема, която изпълнява квантово преобразуване на Фурие за W-състояния с произволен брой фотони.

За проверка екипът е конструирал устройство за три фотона на базата на високостабилни оптични квантови схеми. Системата е могла да работи продължително време без активен контрол, което е важно за бъдещите квантови технологии. Устройството успешно е различавало различни типове 3-фотонни W-състояния. Това постижение може да даде тласък на квантовата телепортация (предаване на квантова информация, а не на материя), на нови протоколи за квантова комуникация и на подходи към квантовите изчисления на базата на измервания.

Работата се вписва в общата тенденция за преход на квантовите системи от нестабилни лабораторни демонстрации към по-мащабируеми платформи. В края на миналата година изследователи демонстрираха изцяло фотонна квантова телепортация, а през тази година друг екип съобщи за интегриран фотонен чип за работа със заплитане. Квантовите мрежи също навлизат в реалната инфраструктура: през тази година изследователи тестваха 3-възлова квантова мрежа чрез съществуващи оптични кабели в Ню Йорк.

Екипът от университетите в Киото и Хирошима планира да разшири своя метод към по-големи и общи многофотонни заплетени състояния, както и да разработи чипови фотонни квантови схеми за заплетени измервания. Успехът в тази насока ще направи отчитането на сложни квантови състояния по-бързо, компактно и практично.