Исследователи из университетов Киото и Хиросимы решили фундаментальную проблему квантовой физики, создав метод прямого измерения W-состояний — одного из двух основных типов многофотонной квантовой запутанности. Спустя более 25 лет после разработки аналогичного подхода для GHZ-состояний команда под руководством Сигэки Такэути продемонстрировала работающую технологию идентификации W-состояний «с одного выстрела», что открывает путь к квантовой телепортации и новым протоколам квантовых вычислений.

Главным препятствием в изучении многофотонных запутанных состояний была экспоненциально растущая сложность традиционной квантовой томографии — количество необходимых измерений взрывообразно увеличивается с добавлением каждого фотона. W-состояние, отличающееся циклической симметрией сдвига, требовало принципиально иного подхода по сравнению с хорошо изученными GHZ-состояниями, где все частицы находятся в одинаковом суперпозиционном состоянии.

Японские физики создали метод запутанного измерения, основанный на фотонной квантовой схеме, выполняющей квантовое преобразование Фурье для W-состояний любого количества фотонов. Для демонстрации они изготовили высокостабильную оптическую квантовую схему, способную работать без активного управления длительное время. При подаче трех одиночных фотонов в соответствующих поляризационных состояниях устройство успешно различало разные типы трехфотонных W-состояний, каждое из которых соответствует специфической неклассической корреляции между входными фотонами.

Прорыв открывает возможности для квантовой телепортации — передачи квантовой информации без физического перемещения частиц — и разработки новых протоколов квантовой связи. Технология также применима для передачи многофотонных запутанных состояний и создания измерительных квантовых вычислений нового поколения. Команда планирует масштабировать метод на большее количество фотонов и разрабатывать интегрированные фотонные чипы для запутанных измерений.