668
Фізики з Кіотського та Хіросімського університетів продемонстрували однокрокове вимірювання W-стану квантової заплутаності трьох фотонів. Замість тривалої квантової томографії, для якої потрібні численні повторні вимірювання великої кількості ідентичних систем, команда використала спеціальний оптичний пристрій і змогла визначати стан без повної реконструкції всієї хвильової функції.
W-стан є одним із важливих типів багаточастинкової квантової заплутаності. Його особливість полягає в тому, що заплутаність розподілена між кількома частинками таким чином, що навіть після втрати однієї з них інші можуть зберігати корисний квантовий зв’язок. Це відрізняє W-стан від іншого відомого типу — стану Грінбергера—Горна—Цайлінгера, де втрата однієї частинки зазвичай руйнує всю структуру заплутаності.
Три фотони пропустили через інтерферометр на основі перетворення Фур’є
Для експерименту команда створила оптичний пристрій, який реалізує дискретне перетворення Фур’є. У нього подавали три фотони з відомою поляризацією. Усередині системи світлові частинки спрямовувалися різними шляхами, а потім знову зводилися разом, щоб їхні хвильові функції могли інтерферувати.
Такий підхід дозволив безпосередньо перевірити циклічну симетрію W-стану. Якщо три фотони циклічно переставити місцями, математичний опис системи залишається тим самим. Саме ця властивість стала основою для однокрокового розпізнавання.
За словами дослідника квантової інформації Сіґекі Такеучі, експеримент став реальною демонстрацією вимірювання W-станів трьох фотонів. Середня точність розрізнення склала 0,871 ± 0,039, тобто приблизно у 87% випадків система правильно визначала потрібний стан.
Точність перевищила необхідний математичний поріг
Отриманий результат перевищив поріг 66,7%, який автори використовують як критерій для демонстрації справжнього вимірювання заплутаного стану трьох частинок. Відхилення від ідеальних 100% команда пояснює недосконалістю підготовки фотонів, втратами в оптичній схемі та технічними обмеженнями детекторів.
У традиційній квантовій томографії для визначення стану потрібно провести багато вимірювань у різних базисах. Крім того, кожне вимірювання руйнує початкову квантову суперпозицію, тому необхідна велика кількість однаково підготовлених систем. Із ростом числа частинок кількість потрібних вимірювань збільшується експоненційно, що швидко робить метод дуже ресурсомістким.
Однокрокове визначення W-стану може спростити контроль багаточастинкової заплутаності у квантових мережах та фотонних обчислювальних системах. Наступним кроком команда планує перенести подібні вимірювальні схеми на фотонні чипи. Якщо це вдасться, метод стане компактнішим, стабільнішим і придатнішим для масштабованих квантових технологій.
