Квантовото заплитане е една от най-странните особености, които отличават квантовия свят от ежедневната физика. В заплетена система частиците фотоните са свързани толкова дълбоко, че техните свойства не могат да бъдат напълно описани поотделно – системата трябва да се разглежда като едно цяло.

Това противоречи на класическото разбиране, че всяка частица притежава собствена, независима физическа реалност. Именно тази особеност на квантовата механика някога сериозно е тревожила Алберт Айнщайн. Днес заплитането се счита за един от ключовите елементи за новите квантови технологии – комуникации, изчисления и предаване на информация.

Проблемът с измерването на заплитането

За създаването на такива технологии учените трябва не само да получават многофотонни заплетени състояния, но и ефективно да определят какъв точно тип заплетено състояние е получено. Стандартният подход е квантовата томография, при която състоянието се възстановява въз основа на множество измервания. Сложността се състои в това, че обемът на необходимите данни нараства експоненциално с добавянето на всеки фотон. Дори малко увеличение на броя на фотоните рязко увеличава броя на измерванията.
Измерването на заплетени структури предлага далеч по-ефективна алтернатива: вместо събиране на множество данни и последваща реконструкция на състоянието, то позволява да се определи квантовото състояние чрез една стъпка.

Учените са реализирали такова измерване за състоянието на Грийнбергер – Хорн – Цайлингер (GHZ) – една от най-известните форми на многофотонна заплетеност. Досега обаче не е съществувал подобен метод за W-състоянието, друг важен тип заплетено многофотонно състояние. В тази връзка изследователи от университетите в Киото и Хирошима са се заели да запълнят тази празнина. Резултатът от тяхната работа е нов метод за измерване на заплитането, който позволява идентифицирането на W-състоянието.

„Повече от 25 години след първото предложение за квантово измерване на GHZ-състояния най-накрая успяхме да постигнем квантово измерване и за W-състоянието, с реална експериментална демонстрация за трифотонни W-състояния.“

казва Шигеки Такеучи, един от авторите на работата Използване на симетрията за идентифициране на W-състоянието

В основата на подхода лежи математическо свойство на W-състоянието – симетрията на цикличното преместване. По-просто казано, разположението на фотоните може да се премества циклично, като се запазва важна вътрешна закономерност. Опирайки се на тази симетрия, екипът теоретично разработи заплетено измерване на базата на фотонен квантов контур. Контурът извършва квантово преобразуване на Фурие – математическа операция, която преструктурира квантовата информация, така че да се разкрият труднооткриваеми закономерности. Предложеният метод по принцип е приложим към W-състояния с произволен брой фотони.

След това изследователите са конструирали устройство за проверка на идеята с три фотона, като са използвали високостабилни оптични квантови схеми, способни да работят дълго време без активно управление. С подаванет она три отделни фотона с внимателно подбрани състояния на поляризация, учените са доказали, че системата е способна да разграничава различни видове трифотонни W-състояния. Всяко от тях представлява специфична некласическа корелация между трите входящи фотона.

Екипът също така е измерил точността (fidelity) на заплетеното измерване – тя показва колко надеждно квантовата система изпълнява задачата. В този случай това е вероятността устройството да даде правилен резултат при подаване на чисто W-състояние.

Нов инструмент за квантова телепортация

Това постижение може да окаже влияние върху няколко области на квантовите технологии. Една от тях е квантовата телепортация, която пренася квантова информация от една точка в друга. Въпреки наименованието си, тя не премества материята физически, а използва заплитането за предаване на квантово състояние, съдържащо информация. Новият метод за измерване може също да допринесе за създаването на нови протоколи за квантова комуникация, методи за предаване на многофотонни заплетени състояния и нови форми на квантови изчисления, базирани на измервания.

„За да се ускорят изследванията и разработката на квантови технологии е от решаващо значение да се задълбочи разбирането на основните концепции, за да възникнат иновативни идеи.“

споделя Такеучи Мащабиране на метода към големи квантови системи

Сега изследователите планират да излязат извън рамките на демонстрацията с три фотона. Дългосрочната им цел е да приложат метода към по-големи и по-общи многофотонни заплетени състояния. Екипът също така възнамерява да разработи фотонни квантови схеми на чип, способни да извършват заплетени измервания, което ще направи технологията по-компактна и по-лесна за интегриране в бъдещи квантови системи.