Квантовая запутанность, связывающая характеристики нескольких частиц в единую систему, перестала быть исключительно предметом теоретических дискуссий. Это явление стало базовым элементом для технологий будущего: квантовых вычислений, телепортации и защищенных каналов связи. Однако развитие этих направлений требует инструментов для оперативной идентификации создаваемых квантовых состояний.
Стандартные методы, такие как квантовая томография, теряют эффективность при масштабировании систем. С добавлением каждого нового фотона количество необходимых измерений растет в геометрической прогрессии, что создает препятствия при работе с многочастичными структурами. Более перспективным считается метод запутанных измерений, позволяющий получить данные за один цикл. Ранее физикам удалось реализовать этот подход для состояний Гринбергера – Хорна – Цайлингера, но так называемые W-состояния долгое время не поддавались прямой фиксации.
Группа ученых из университетов Киото и Хиросимы предложила решение этой проблемы, представив результаты эксперимента с тремя фотонами. Исследователи разработали метод, основанный на циклической симметрии сдвига, которая присуща W-состояниям. На базе этой особенности была создана оптическая схема, выполняющая квантовое преобразование Фурье. «Спустя более чем 25 лет после появления идеи запутанного измерения для состояний типа GHZ мы наконец реализовали этот подход и для W-состояний», – отметил руководитель исследования Сигэки Такэути.
Работоспособность метода была проверена с помощью высокостабильных оптических цепей, способных функционировать длительное время без внешнего вмешательства и тонкой настройки. В ходе испытаний устройство успешно распознало различные конфигурации W-состояний, подтвердив наличие неклассических корреляций между частицами с высокой точностью. Такая устойчивость системы к внешним факторам важна для перехода квантовых устройств из лабораторий в реальную эксплуатацию.
Достижение японских физиков вписывается в общую динамику развития квантовых инфраструктур, включая интегральные чипы и сети на базе существующих оптоволоконных линий в Нью-Йорке. Совершенствование методов измерения делает квантовую телепортацию и передачу данных в многоузловых системах более надежными процессами. В дальнейшем авторы планируют адаптировать технологию для систем с большим числом частиц и интегрировать ее в компактные фотонные микросхемы.
