Исследователи из Киотского и Хиросимского университетов представили инновационный подход к анализу W-состояний квантовой запутанности, преодолев проблему, которая на протяжении многих лет оставалась нерешенной для научного сообщества. Эта разработка открывает перспективы для прогресса в области квантовой телепортации и современных вычислительных технологий.
Впервые явление квантовой запутанности было зафиксировано Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году в ходе рассмотрения так называемого парадокса ЭПР. Эйнштейн, в свою очередь, охарактеризовал это явление как «жуткое действие на расстоянии» – концепцию, согласно которой состояние одной частицы способно моментально воздействовать на другую, вне зависимости от расстояния между ними. Данные принципы, противоречащие классическим представлениям о физике, послужили основой для технологий будущего, таких как сверхнадежные коммуникационные сети, квантовые вычисления и квантовая телепортация информации.
Имеется в виду телепортация, но не в том виде, как это показано в научно-фантастических произведениях, например, в сериале «Звездный путь», где происходит мгновенное перемещение объектов. Квантовая телепортация – это передача квантовой информации между частицами, как правило, фотонами, с использованием явления квантовой запутанности.
Применение классических подходов в квантовой механике существенно затрудняет проверку «состояния» совокупности фотонов, что долгое время делало подобные эксперименты весьма сложными. Ранее ученым уже посчастливилось исследовать некоторые запутанные состояния, например, состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), однако до сих пор не было разработано действенного способа идентификации или измерения W-состояния — еще одного важного типа многофотонной запутанности.
Этот этап был успешно пройден. Специалисты из Киотского и Хиросимского университетов исследовали циклическую симметрию сдвига W-состояния и предложили инновационную методику запутанных измерений, основанную на фотонных квантовых схемах и квантовом преобразовании Фурье.
«Прошло больше двух десятилетий с тех пор, как впервые была предложена концепция запутанного измерения для состояний GHZ, и теперь мы имеем подобное решение и для W-состояний, подтвержденное экспериментально для трехфотонных систем », — заявил Шигэки Такэути, главный автор .
Предложенный подход позволяет выявлять W-состояния всего за одно измерение, что исключает необходимость в многократных повторных измерениях. В ходе испытаний с использованием групп, состоящих из трех запутанных фотонов, исследователи показали, что их устройство надежно различает различные типы состояний. Разработанная система отличается стабильностью, способностью к автономной работе на протяжении продолжительного периода и гарантирует получение стабильно точных результатов.
Значимость этого открытия сложно переоценить, поскольку исследование может существенно продвинуть развитие квантовой телепортации – технологии передачи информации без перемещения физических объектов. Также это ускорит прогресс в области квантовых вычислений, которые станут основой будущих вычислительных систем. Среди перспективных применений – практически неуязвимые коммуникационные сети для государственных структур, финансовых учреждений и объектов критической важности, а также мощное имитационное моделирование в медицине, климатологии и при изучении свойств материалов. Кроме того, возможно создание глобальной квантовой сети.
Достигнутые результаты могут открыть дорогу к разработке технологий, которые на данный момент трудно представить, включая, вероятно, даже некую форму телепортации в отдалённой перспективе.
«Для стимулирования исследований и разработок в сфере квантовых технологий необходимо более глубокое освоение фундаментальных принципов, что позволит создавать новые идеи », — отметил Такэути.
Этот значительный прогресс сближает науку с полным раскрытием возможностей квантовых технологий и помогает вывести квантовые вычисления из теоретической области и первых демонстраций к практическому применению.