Там, где Эйнштейн сомневался — теперь точность. W-состояние квантовых частиц стало измеримым

Квантовая запутанность — это явление, при котором несколько частиц, например фотоны, оказываются настолько связаны между собой, что их свойства нельзя описать раздельно. Если изменить одну из частиц, это мгновенно отражается на остальных, даже если они находятся на расстоянии. В обычной, классической физике предполагается, что у каждой частицы есть независимые характеристики, но в квантовом мире всё работает иначе. Именно этот парадокс вызывал сомнения у Альберта Эйнштейна. Сейчас же именно запутанность рассматривается как основа будущих технологий — квантовых компьютеров и защищённых линий связи.

Чтобы использовать такие состояния на практике, нужно уметь делать две вещи. Во-первых, создавать запутанные наборы частиц с нужными свойствами. Во-вторых, определять, какое именно запутанное состояние получилось. С этим есть трудности: традиционный метод, называемый квантовой томографией, требует огромного количества повторных измерений. Суть этого подхода в том, что состояние системы восстанавливается шаг за шагом, из большого числа замеров. Проблема в том, что с ростом числа фотонов объём работы увеличивается экспоненциально — при десяти фотонах нужно уже миллиарды измерений, что становится непрактичным.

Есть другой подход: так называемое запутанное измерение. Оно устроено так, что позволяет определить тип запутанности сразу за один эксперимент. Для одного известного типа многоквантовых состояний — состояния Гринбергера–Хорна–Цайлингера (GHZ) — такой метод уже существует. GHZ-состояние можно описать как ситуацию, когда либо все фотоны находятся в одном состоянии, либо все в другом, и эти варианты существуют одновременно. Но есть и другой фундаментальный тип — W-состояние. В нём «возбуждение» распределяется между фотонами так, что всегда один из них отличается от остальных. Например, если всего три фотона, то в состоянии W один из них может находиться в положении «1», а два других в положении «0», и таких комбинаций три — все они вместе образуют суперпозицию. До недавнего времени не существовало метода, который бы позволял напрямую определять такие состояния.

Эту задачу решили учёные из Киотского и Хиросимского университетов. Они обратили внимание на то, что W-состояние обладает циклической симметрией: если поменять фотоны местами по кругу, результат не изменится. Используя это свойство, исследователи предложили схему, основанную на квантовом преобразовании Фурье. Это математическая операция, которая разлагает сложный сигнал на составляющие частоты, а в квантовой оптике позволяет выделять разные варианты запутанности.

Чтобы проверить свою идею, они построили устройство на основе оптических квантовых схем, способных работать очень стабильно без постоянной перенастройки. В установку запускали три отдельных фотона, задавая их поляризацию — направление колебаний световой волны. Устройство показало, что оно может различать разные варианты трёхфотонных W-состояний, то есть определять, какая именно корреляция существует между тремя фотонами.

Учёные также проверили точность метода. Они рассчитали вероятность того, что при подаче идеального W-состояния устройство выдаст правильный результат. Эта вероятность называется верностью измерения и является важным показателем качества эксперимента.

Полученный результат открывает перспективы для целого ряда задач. Во-первых, это квантовая телепортация — передача квантовой информации от одной системы к другой. Во-вторых, новые протоколы квантовой связи , которые будут использовать многоквантовые состояния для повышения надёжности передачи данных. В-третьих, это методы квантовых вычислений , где ключевая роль отводится именно измерениям.

В дальнейшем команда планирует расширить методику на большее количество фотонов и разработать интегральные фотонные схемы, которые можно будет размещать на чипах. Такие устройства будут компактными и позволят использовать запутанные измерения в практических квантовых технологиях.