Физики впервые за 25 лет научились распознавать особый вид квантовой запутанности
Ученые разработали метод, позволяющий эффективно определять один из важнейших типов квантовой запутанности — так называемое W-состояние. Открытие может ускорить развитие квантовых технологий: от защищенных каналов связи до квантовых компьютеров.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
Квантовая запутанность — одно из самых удивительных явлений в физике. В обычном мире каждый объект имеет свои четко определенные свойства. В квантовом мире все иначе: в запутанной системе несколько частиц, например фотоны, оказываются связаны так глубоко, что их уже нельзя описывать по отдельности — только как единое целое. Именно это некогда так раздражало Эйнштейна, но сегодня запутанность считается ключевым ресурсом для квантовой связи, вычислений и передачи информации.
Однако чтобы использовать запутанные состояния на практике, ученым нужно не только их создавать, но и точно определять, какое именно состояние получилось. Стандартный метод — квантовая томография — требует огромного числа измерений, которое экспоненциально растет с увеличением числа фотонов. Альтернативой являются так называемые запутанные измерения, которые позволяют идентифицировать состояние за один шаг, без многократных повторений.
Для одного из наиболее известных многофотонных запутанных состояний — состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) — подобный метод был разработан более 25 лет назад. Однако для другого фундаментального типа многофотонной запутанности, так называемого W-состояния, ничего сопоставимого долгое время предложено не было. Японские ученые восполнили этот пробел.
В основе нового метода, разработанного специалистами Университета Киото и Университета Хиросимы лежит математическое свойство W-состояния — так называемая симметрия циклического сдвига: порядок фотонов в системе можно циклически переставлять, и при этом ключевая структура состояния сохранится. Опираясь на эту симметрию, ученые разработали квантовую схему, выполняющую квантовое преобразование Фурье — математическую операцию, которая перераспределяет квантовую информацию таким образом, что скрытые закономерности становятся доступны для обнаружения.
Теоретический метод был проверен экспериментально на трехфотонной системе. Физики создали высокостабильные оптические квантовые схемы, способные работать длительное время без активной подстройки, и показали, что устройство успешно различает разные типы трехфотонных W-состояний. «Более чем через 25 лет после первых предложений о запутанных измерениях для GHZ-состояний мы наконец получили запутанное измерение и для W-состояния — с полноценной экспериментальной демонстрацией», — говорит руководитель исследования Сигэки Такеучи.
Новый подход может найти применение в квантовой телепортации — передаче квантовых состояний на расстояние без физического перемещения частиц, — а также в протоколах квантовой связи и вычислениях, основанных на измерениях. В перспективе авторы планируют распространить метод на системы с большим числом фотонов и создать компактные чиповые схемы, которые можно будет интегрировать в реальные квантовые устройства.
Ранее квантовый компьютер впервые воссоздал процесс рождения частиц.
ФизикаПоделиться
