Μετρώντας την «κβαντική κατάσταση W» – Aνοίγει o δρόμος για την κβαντική τηλεμεταφορά

Η έννοια της κβαντικής διεμπλοκής αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα του χάσματος μεταξύ της κλασικής και της κβαντικής φυσικής. Αναφέρεται σε μια κατάσταση κατά την οποία είναι αδύνατο να περιγράψουμε τη φυσική κατάσταση κάθε φωτονίου ξεχωριστά, καταρρίπτοντας την κλασική προσδοκία ότι κάθε σωματίδιο έχει τη δική του ανεξάρτητη πραγματικότητα, γεγονός που προβλημάτισε βαθιά τον Αϊνστάιν.

Η ανάγκη για μετρήσεις διεμπλοκής

Η κατανόηση του δυναμικού αυτής της έννοιας είναι ουσιώδης για την υλοποίηση νέων ισχυρών κβαντικών τεχνολογιών. Η ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών απαιτεί την ικανότητα ελεύθερης δημιουργίας πολυφωτονικών διεμπλεγμένων καταστάσεων, καθώς και τον αποδοτικό προσδιορισμό του είδους της διεμπλοκής. Ωστόσο, η συμβατική κβαντική τομογραφία απαιτεί εκθετικά αυξανόμενο αριθμό μετρήσεων με τον αριθμό των φωτονίων, δημιουργώντας σοβαρό πρόβλημα συλλογής δεδομένων.

Η δυσκολία με την κατάσταση W

Εάν είναι διαθέσιμη μια μέτρηση διεμπλοκής, μπορεί να αναγνωρίσει την κατάσταση διεμπλοκής με μία μόνο μέτρηση. Μια τέτοια μέτρηση έχει επιτευχθεί για την κατάσταση GHZ, αλλά για την κατάσταση W δεν είχε προταθεί ούτε επιτευχθεί πειραματικά.

Αυτό ώθησε ομάδα ερευνητών από το Kyoto University και το Hiroshima University να αναλάβουν την πρόκληση, καταφέρνοντας τελικά να αναπτύξουν νέα μέθοδο μέτρησης διεμπλοκής για την ταυτοποίηση της κατάστασης W. Το σχετικό άρθρο δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances.

Η θεωρητική πρόταση και η υλοποίηση

Η ομάδα επικεντρώθηκε στα χαρακτηριστικά της κυκλικής συμμετρίας μετατόπισης της κατάστασης W και πρότεινε θεωρητικά μέθοδο δημιουργίας μέτρησης διεμπλοκής χρησιμοποιώντας φωτονοειδές κβαντικό κύκλωμα που εκτελεί κβαντικό μετασχηματισμό Fourier για την κατάσταση W οποιουδήποτε αριθμού φωτονίων.

Δημιουργήθηκε συσκευή για την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου σε τρία φωτόνια, χρησιμοποιώντας οπτικά κβαντικά κυκλώματα υψηλής σταθερότητας, επιτρέποντας στη συσκευή να λειτουργεί σταθερά χωρίς ενεργό έλεγχο για παρατεταμένο χρονικό διάστημα.

Εισαγωγή και διάκριση W καταστάσεων

Με την εισαγωγή τριών μονών φωτονίων σε κατάλληλες καταστάσεις πόλωσης, αποδείχθηκε ότι η συσκευή μπορεί να διακρίνει διαφορετικούς τύπους τριφωτονικών W καταστάσεων, καθεμία από τις οποίες αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη μη-κλασική συσχέτιση μεταξύ των τριών εισερχόμενων φωτονίων.

Οι ερευνητές αξιολόγησαν την πιστότητα της μέτρησης διεμπλοκής, που ισούται με την πιθανότητα λήψης του σωστού αποτελέσματος για καθαρή είσοδο W κατάστασης.

Το επίτευγμα αυτό ανοίγει τον δρόμο για κβαντική τηλεμεταφορά, μεταφορά κβαντικής πληροφορίας, νέα πρωτόκολλα κβαντικής επικοινωνίας, μεταφορά πολυφωτονικών διεμπλεγμένων καταστάσεων και νέες μεθόδους κβαντικού υπολογισμού βασισμένου σε μετρήσεις.

Σχέδια για το μέλλον

Στο μέλλον, η ομάδα σκοπεύει να εφαρμόσει τη μέθοδό της σε πιο γενικές και μεγαλύτερης κλίμακας πολυφωτονικές διεμπλεγμένες καταστάσεις και σχεδιάζει να αναπτύξει ενσωματωμένα φωτονοειδή κβαντικά κυκλώματα για μετρήσεις διεμπλοκής.