Квантовая запутанность остается одним из самых странных явлений современной физики. Если частицы, например электроны или фотоны, оказываются запутанными, их уже нельзя полностью описывать как независимые объекты. Они образуют общую квантовую систему, состояние которой остается неопределенным до измерения.
Эта связь сохраняется даже на больших расстояниях. Однако использовать ее для передачи информации быстрее света нельзя: результаты отдельных измерений остаются случайными.
Тем не менее квантовая запутанность считается важнейшей основой будущих технологий обработки и передачи информации. И чем больше частиц удается объединить в такую систему, тем сложнее становится ее измерять.
Физики из Киотского и Хиросимского университетов сделали заметный шаг в решении этой проблемы. Они впервые экспериментально продемонстрировали новый способ измерения особого типа многокомпонентной запутанности — так называемого W-состояния, начав с системы из трех фотонов.
Результат особенно примечателен потому, что подобные измерения обсуждались более четверти века.
Раньше ученые уже умели работать с другим известным типом многокомпонентной запутанности — состояниями Гринбергера — Хорна — Цайлингера. Но W-состояния устроены сложнее и обладают важным свойством: если одна из запутанных частиц теряется, оставшиеся все еще могут сохранять полезную запутанность.
Обычно для изучения таких систем используется квантовая томография. По принципу она напоминает медицинскую компьютерную томографию: исследователи проводят множество отдельных измерений, а затем собирают их результаты в единое описание системы.
У такого подхода есть серьезные ограничения.
Во-первых, каждое измерение разрушает исходное квантовое состояние, поэтому приходится снова и снова создавать практически идентичные системы.
Во-вторых, чем больше в системе запутанных частиц, тем быстрее растет количество необходимых измерений.
Авторы новой работы попытались обойти обе проблемы, проведя фактически одно комплексное измерение всей системы.
Для этого они создали специальную оптическую схему на основе дискретного преобразования Фурье, работающую как сложный интерферометр.
В устройство направляли три фотона с заранее известной поляризацией. Схема разделяла их по различным путям, а затем снова сводила вместе. В результате ученые могли наблюдать, как волновые состояния фотонов накладываются друг на друга, усиливаясь или взаимно подавляясь.
Это позволило исследовать особую симметрию W-состояния.
Ее смысл состоит в том, что структура запутанной системы остается той же самой, даже если входящие в нее фотоны циклически поменять местами.
Условно это можно представить как людей, сидящих вокруг круглого стола. Если каждый человек одновременно пересядет на одно место влево, общая структура круга не изменится.
Используя это свойство, физики смогли определить W-состояние с точностью около 87%.
Это значительно выше математического порога в 66,7%, необходимого для подтверждения того, что измерение трехчастичной запутанности действительно состоялось.
До 100% результат не дотянул из-за несовершенства подготовки фотонов и самого измерительного оборудования.
«Более чем через 25 лет после первых предложений по запутанным измерениям состояний Гринбергера — Хорна — Цайлингера мы наконец получили аналогичное измерение для W-состояния и экспериментально продемонстрировали его на трех фотонах», — отметил исследователь квантовой информации Сигэки Такэути.
По мнению авторов, работа может стать важным этапом на пути к более широкому применению многокомпонентных запутанных измерений в фотонных квантовых вычислениях, квантовой связи и сенсорных технологиях.
Следующим шагом команда планирует создать фотонные квантовые схемы на чипах, которые смогут выполнять такие измерения в более компактном формате.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
