Ученые из Киотского университета и Хиросимского университета разработали принципиально новый метод анализа давно остававшегося загадкой W-состояния квантовой запутанности, решив проблему, которая не поддавалась исследователям на протяжении десятилетий. Это достижение открывает новые пути для развития квантовой телепортации и современных вычислительных систем.
Феномен квантовой запутанности был впервые описан Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году в рамках так называемого парадокса ЭПР. Эйнштейн известным образом назвал это явление «жутким действием на расстоянии» — идеей о том, что состояние одной частицы может мгновенно влиять на другую, независимо от разделяющего их расстояния. Эти противоречащие классической физике принципы легли в основу технологий нового поколения, включая сверхзащищенные коммуникационные сети, квантовые вычисления и телепортацию квантовой информации.
Речь идет именно о телепортации, но не в научно-фантастическом смысле мгновенного перемещения объектов, как, например, в сериале «Звездный путь». Квантовая телепортация подразумевает передачу квантовой информации между частицами, обычно фотонами, путем использования квантовой запутанности.
Традиционные методы квантовой механики значительно усложняют проверку «состояния» множественных фотонов, что до сих пор делало подобные эксперименты чрезвычайно трудными. Исследователям уже удавалось изучать определенные запутанные состояния, такие как состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), однако до настоящего момента не существовало практического способа идентифицировать или измерить W-состояние — другой ключевой тип многфотонной запутанности.
Теперь этот барьер преодолен. Ученые из Киотского и Хиросимского университетов сосредоточились на циклической симметрии сдвига W-состояния и разработали новую технику запутанных измерений с использованием фотонных квантовых схем и квантового преобразования Фурье.
«Спустя более 25 лет после первоначальной идеи о запутанном измерении для состояний GHZ, мы наконец получили его и для W-состояния, включая экспериментальное подтверждение для трехфотонных систем», — сообщает Шигэки Такэути, ведущий автор .
Новый метод позволяет идентифицировать W-состояния за одно измерение, без необходимости многократных повторений. В тестах с группами из трех запутанных фотонов команда продемонстрировала, что их устройство надежно отличает различные типы состояний. Система показала стабильность, способность работать автономно в течение длительного времени и обеспечивать стабильно точные результаты.
Значение этого открытия трудно переоценить — работа исследователей может дать мощный импульс развитию квантовой телепортации, под которой понимается передача информации без движения физических частиц, а также ускорить прогресс в области измерительной квантовой вычислительной техники, составляющей фундамент будущих вычислительных систем. Среди потенциальных применений — практически взломоустойчивые коммуникационные сети для правительств, банков и критической инфраструктуры, мощное имитационное моделирование в медицине, климатологии и материаловедении, а также возможное создание глобального квантового интернета.
Эти достижения могут проложить путь к технологиям, которые сегодня сложно вообразить — возможно, даже к какой-либо форме телепортации в отдаленном будущем.
«Для ускорения исследований и разработок в области квантовых технологий крайне важно углублять понимание базовых концепций, чтобы генерировать инновационные идеи», — отметил Такэути.
В целом, этот прорыв приближает науку на шаг к раскрытию полного потенциала квантовых технологий и способствует переходу квантовых вычислений из области теории и ранних демонстраций в практическую реальность.