Исследователи из Киотского университета и Университета Хиросимы достигли давно ожидаемой в квантовой физике вехи, успешно измерив неуловимое квантовое W-состояние,

Исследователи из Киотского университета и Университета Хиросимы достигли давно ожидаемой в квантовой физике вехи, успешно измерив неуловимое квантовое W-состояние, что открывает новые возможности для квантовой телепортации, коммуникационных протоколов и передовых вычислительных технологий.

Этот прорыв, опубликованный в Science Advances 13 сентября 2025 года, представляет собой первую экспериментальную демонстрацию техники запутанного измерения для W-состояний — фундаментального типа многоквантовой запутанности фотонов, который озадачивал ученых более 25 лет. Исследовательская группа, возглавляемая ответственным автором Сигеки Такеучи из Высшей школы инженерии Киотского университета, разработала новый метод, использующий уникальные свойства циклической симметрии сдвига W-состояния.

Решение давней проблемы

Квантовая запутанность, знаменитое «зловещее действие на расстоянии», которое так беспокоило Эйнштейна, происходит тогда, когда частицы становятся столь глубоко связанными друг с другом, что измерение одной мгновенно влияет на её партнёра, независимо от физического расстояния между ними. Хотя исследователи успешно разработали методы измерения для состояний Гринбергера–Горна–Цайлингера (ГГЦ) десятилетия назад, W-состояние — столь же важная, но принципиально отличающаяся форма запутанных квантовых конфигураций — оставалось практически неуловимым для экспериментов до нынешнего времени.

W-состояние существенно отличается от состояний ГГЦ своей устойчивостью: если один фотон теряется из W-состояния, оставшиеся частицы сохраняют квантовую запутанность, тогда как состояния ГГЦ при тех же условиях становятся полностью несвязанными. Эта устойчивость делает W-состояния особенно ценными для квантовых приложений, где потеря частиц представляет серьёзную проблему.

По информации Physics.org, команда сосредоточилась на симметрии циклического сдвига W-состояния и теоретически предложила проведение запутанного измерения с помощью фотонной квантовой схемы, выполняющей квантовое преобразование Фурье для W-состояний любого числа фотонов. В их экспериментальной демонстрации успешно были различены разные типы трёхфотонных W-состояний, каждое из которых соответствует специфическим неклассическим корреляциям между входными фотонами.

Экспериментальные инновации

Исследователи создали специализированное устройство, использующее высокостабильные оптические квантовые схемы, способные работать без активного контроля в течение длительных периодов времени. Вводя три одиночных фотона с соответствующими поляризационными состояниями, они продемонстрировали способность устройства идентифицировать различные конфигурации состояний W с высокой достоверностью — вероятностью получения правильных результатов для чистых входных состояний W.

Это достижение решает важную задачу в квантовой физике: традиционная квантовая томография требует измерений, число которых экспоненциально растёт с увеличением количества фотонов, что создаёт существенные узкие места при сборе данных. Новый подход, основанный на перепутанном измерении, позволяет осуществлять «однократную» идентификацию состояний W, что существенно упрощает процесс.

Последствия для квантовых технологий

Этот прорыв имеет непосредственные последствия для нескольких передовых направлений квантовых технологий. Квантовая телепортация — передача квантовой информации без физического перемещения частиц — может быть усовершенствована благодаря улучшенному управлению состояниями В. Метод также обещает прогресс в квантовых коммуникационных протоколах и подходах к квантовым вычислениям на основе измерений.

«Наша работа не только доказывает теорию, существовавшую десятилетиями, но и открывает практический путь к масштабируемым квантовым технологиям», — заявил Такаути, согласно Asian News International. Исследовательская команда планирует расширить свою методологию на крупномасштабные запутанные состояния с большим количеством фотонов и разрабатывать фотонные квантовые схемы на чипе для создания более практичных квантовых устройств.

Это открытие особенно важно на фоне стремительного развития квантовых технологий по всему миру. В последние месяцы было достигнуто несколько достижений в области квантовой телепортации, включая эксперимент Северо-Западного университета по квантовой телепортации через существующую интернет-инфраструктуру и прогресс в создании отказоустойчивых квантовых вычислительных систем.

Это исследование опирается на многолетнюю работу Такаути в области квантовой фотоники, включая его руководство исследовательским направлением «Супер Квантовая Запутанность» (Super Quantum Entanglement) в рамках японской программы ERATO, начавшейся в октябре 2024 года с целью изучения сложных квантовых состояний и разработки новых методов квантовой обработки информации.