612
Квантове заплутування залишається одним із найразючіших розривів між поведінкою частинок у квантовому світі та нашим повсякденним досвідом. Коли електрони чи фотони опиняються в заплутаному стані, вони втрачають індивідуальність і описуються лише як одна спільна квантова система. Їхні стани перебувають у суперпозиції доти, доки хоча б одну частинку не буде виміряно.
Це квантове «споріднення» не зважає на відстань: умовний «квантовий підкид монетки» на Землі миттєво узгоджується з результатом на Марсі. Втім, самі результати є випадковими й не несуть керованої інформації, тож мрії про зв’язок швидший за світло лишаються фантастикою.
Попри це, заплутування є ключовим ресурсом для квантових технологій. Щоб будувати квантові комп’ютери та захищені канали зв’язку, потрібно навчитися створювати й контролювати стани із все більшою кількістю частинок та ефективно їх вимірювати.
Від GHZ до W: «інший» тип багаточастинкового заплутування
У новій роботі фізики з Кіотського університету та Університету Хіросіми зробили важливий крок у цьому напрямку, дослідивши конфігурацію багаточастинкових заплутаних станів, починаючи з трьох фотонів. Як повідомляє ScienceAlert, команда вперше продемонструвала експериментальний метод вимірювання заплутування так званого W‑типу.
Більш відомі багаточастинкові стани — це стани Ґрінберґера–Горна–Цайлінґера (GHZ), своєрідна «класика» багатофотонного заплутування. Для GHZ‑станів техніку вимірювання запропонували ще понад 25 років тому, і вона вже була реалізована в експериментах.
W‑стани можна порівняти з більш складним «смаком» заплутування. Головна відмінність: якщо в системі GHZ ви втратите одну частинку, корисне заплутування зазвичай руйнується. У W‑станах, навпаки, навіть після втрати одного з фотонів решта все одно залишаються у заплутаному, придатному для використання стані. Це робить W‑заплутування особливо привабливим для практичних застосувань, де втрати неминучі.
Як зазвичай вимірюють заплутування і в чому проблема
Найпоширеніший підхід до вимірювання квантових станів — квантова томографія. Її часто порівнюють із медичною комп’ютерною томографією: багато різних «зрізів» (вимірювань) об’єднують у цілісне зображення стану системи.
Такий метод має дві суттєві перешкоди. По-перше, дослідникам доводиться знову й знову створювати однакові заплутані системи, адже саме вимірювання руйнує початковий квантовий стан. По-друге, кількість потрібних вимірювань зростає експоненціально з кількістю частинок у системі, що швидко робить процедуру непрактичною.
Одноразове вимірювання W‑стану з трьома фотонами
Японські дослідники запропонували спосіб обійти ці обмеження, здійснивши так зване «одноразове» (one-shot) вимірювання, коли вся інформація про заплутаний стан витягується за одну операцію.
Для цього вони створили власний оптичний пристрій — схему на основі дискретного перетворення Фур’є (DFT), яка фактично працює як розвинений інтерферометр. У нього вводили три фотони з відомою поляризацією, після чого схема розділяла їх на кілька шляхів і знову зводила разом.
На виході вчені аналізували, як «піки й западини» хвильових функцій фотонів накладаються одна на одну — підсилюючи чи взаємно гасячи. Такий інтерференційний малюнок дає змогу визначити структуру заплутаного стану.
Зокрема, це дозволило дослідити властивість W‑стану, яку називають «циклічною зсувною симетрією». Вона означає, що математичний опис системи не змінюється, якщо «переставити» фотони циклічно — умовно кажучи, посунути кожен на одну позицію по колу. З погляду структури заплутування система до й після такого зсуву виглядає однаково.
Наскільки точно спрацював новий метод
У результаті експериментів команда отримала середню дискримінаційну точність (MDF) 0,871 ± 0,039. Це означає, що дослідники правильно ідентифікували W‑стан приблизно у 87 відсотках випадків.
Цей показник суттєво перевищує теоретичний поріг у 66,7 відсотка (дві третини), необхідний для того, щоб вважати, що тричастинкове заплутування справді було виміряне, а не «вгадане» випадково. Отже, експеримент підтверджує дієздатність запропонованої методики для трьох фотонів у W‑стані.
Чому не 100 відсотків? Автори пов’язують відхилення з недосконалістю підготовки фотонів та самого вимірювального обладнання. Тобто йдеться про технічні обмеження, а не про принципову межу методу.
Що це означає для квантових технологій
Дослідники вважають, що їхні результати є важливою віхою на шляху до широкого використання багатокубітних фотонних вимірювань у квантових обчисленнях, зв’язку та сенсингу. Новий підхід може зробити роботу з великими заплутаними системами більш ефективною, ніж це дозволяє класична квантова томографія.
Робота також наближає застосування фотонних квантових схем у криптографії та обчисленнях, де стійкі до втрат W‑стани особливо корисні. Команда планує надалі розробляти інтегровані фотонні квантові чипи для реалізації таких заплутаних вимірювань безпосередньо «на кристалі».
У перспективі подібні вдосконалення вимірювальних технологій можуть зійтися в потужні квантові платформи для задач — від пошуку нових ліків до персоналізованих стратегій лікування. А заодно зробити цифрові сервіси та облікові записи значно безпечнішими завдяки квантово захищеному зв’язку.
Фізики вперше надійно виміряли заплутування W‑типу з трьома фотонами з’явилася спочатку на Цікавості.
