Концепция квантовой запутанности символизирует разрыв между классической и квантовой физикой. Говоря о ситуации, когда невозможно описать физику каждого фотона отдельно, эта ключевая характеристика квантовой механики противоречит классическим ожиданиям, согласно которым у каждой частицы должна быть собственная реальность, что серьёзно беспокоило Эйнштейна.
Понимание потенциала этой концепции необходимо для реализации новых мощных квантовых технологий.
Разработка таких технологий потребует способности свободно генерировать многофотонное квантовое запутанное состояние и затем эффективно определять тип присутствующего запутанного состояния. Однако при выполнении традиционной квантовой томографии, метода, обычно используемого для оценки состояния, количество необходимых измерений растёт экспоненциально с увеличением числа фотонов, что создаёт серьёзную проблему сбора данных.
Если доступно, запутанное измерение может идентифицировать запутанное состояние с помощью однократного подхода. Такое измерение для квантового состояния Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ) было реализовано, но для W-состояния, другого репрезентативного запутанного многофотонного состояния, оно не было ни предложено, ни обнаружено экспериментально.
Это побудило группу исследователей из Киотского университета и Университета Хиросимы принять этот вызов, в результате чего им удалось разработать новый метод запутанного измерения для идентификации W-состояния. Статья опубликована в журнале Science Advances.
«Более чем через 25 лет после первоначального предложения, касающегося запутанного измерения для состояний GHZ, мы наконец получили запутанное измерение для W-состояния, включая экспериментальную демонстрацию для трёхфотонных W-состояний», — говорит автор-корреспондент Сигэки Такеучи.
Команда сосредоточилась на характеристиках циклической сдвиговой симметрии W-состояния и теоретически предложила метод создания запутанного измерения с помощью фотонной квантовой схемы, которая выполняет квантовое преобразование Фурье для W-состояния любого числа фотонов.
Они создали устройство для демонстрации предложенного метода для трёх фотонов с использованием высокостабильных оптических квантовых схем, что позволило устройству стабильно работать без активного управления в течение длительного периода времени.
Вводя три одиночных фотона в устройство в соответствующих состояниях поляризации, команда смогла продемонстрировать, что устройство может различать разные типы трёхфотонных W-состояний, каждое из которых соответствует определённой неклассической корреляции между тремя входными фотонами.
Исследователи смогли оценить точность запутанного измерения, которая равна вероятности получения правильного результата для входного чистого W-состояния.
Это достижение открывает двери для квантовой телепортации или передачи квантовой информации. Оно также может привести к новым протоколам квантовой связи, передаче многофотонных квантово-запутанных состояний и новым методам для квантовых вычислений, основанных на измерениях.
«Чтобы ускорить исследования и разработки в области квантовых технологий, крайне важно углубить наше понимание основных концепций для выработки инновационных идей», — говорит Такеучи.
В будущем команда планирует применить свой метод к более масштабному, более общему многофотонному квантовому запутанному состоянию и разработать фотонные квантовые схемы на чипе для запутанных измерений.
Предоставлено Киотским университетом.