Концепция квантовой запутанности символизирует разрыв между классической и квантовой физикой. По сути, невозможно описать физику каждого фотона в отдельности, и поэтому эта ключевая характеристика квантовой механики противоречит классическому представлению о том, что каждая частица должна иметь свою собственную реальность. Понимание потенциала этой концепции имеет важное значение для реализации новых мощных квантовых технологий.
Разработка таких технологий потребует способности свободно генерировать многофотонное квантовое запутанное состояние, а затем эффективно определять, какое именно запутанное состояние присутствует. Однако при выполнении обычной квантовой томографии, метода, широко используемого для оценки состояния, количество необходимых измерений растёт экспоненциально с количеством фотонов, что создаёт серьёзную проблему сбора данных.
Если это возможно, запутанное измерение может идентифицировать запутанное состояние с помощью однократного подхода. Такое измерение для запутанного квантового состояния Гринбергера-Хорна-Цейлингера (GHZ) было реализовано, но для состояния W, другого типичного запутанного многофотонного состояния, оно не было ни предложено, ни обнаружено экспериментально.
Это побудило группу исследователей из Киотского университета и Университета Хиросимы принять этот вызов и в конечном итоге успешно разработать новый метод запутанного измерения для идентификации состояния W.
«Спустя более 25 лет после первоначального предложения о запутанном измерении для состояний GHZ, мы наконец-то получили запутанное измерение и для состояния W, с подлинной экспериментальной демонстрацией для 3-фотонных состояний W», — говорит соавтор статьи Сигэки Такеучи.
Команда сосредоточилась на характеристиках циклической сдвиговой симметрии состояния W и теоретически предложила метод создания запутанного измерения с использованием фотонного квантового контура, который выполняет квантовое преобразование Фурье для состояния W любого количества фотонов.
Они создали устройство для демонстрации предложенного метода для трёх фотонов с использованием высокостабильных оптических квантовых контуров, что позволило устройству стабильно работать без активного управления в течение длительного периода времени. Введя в устройство три одиночных фотона в соответствующих состояниях поляризации, команда смогла продемонстрировать, что устройство может различать различные типы трёхфотонных состояний W, каждое из которых соответствует определённой неклассической корреляции между тремя входными фотонами. Исследователи смогли оценить точность запутанного измерения, которая равна вероятности получения правильного результата для чистого входного состояния W.
Это достижение открывает путь к квантовой телепортации, или передаче квантовой информации. Оно также может привести к появлению новых протоколов квантовой связи, передаче многофотонных квантовых запутанных состояний и новым методам квантовых вычислений на основе измерений.
«Для ускорения исследований и разработок в области квантовых технологий крайне важно углубить наше понимание основных концепций, чтобы приходить к инновационным идеям», — говорит Такеучи.
Источник: habr.com