W świecie, w którym technologie kwantowe stają się rzeczywistością, japońscy naukowcy dokonali właśnie przełomu, który może znacząco przyspieszyć rozwój teleportacji kwantowej i obliczeń kwantowych.
W ich najnowszym badaniu udało się po raz pierwszy stworzyć eksperymentalnie pomiar splątania umożliwiający rozpoznanie tzw. stanu W (ang. W state) — zagadnienia, które przez dziesięciolecia pozostawało w sferze teorii.
Czym jest stan W i dlaczego to ważne
Stan W to jeden z fundamentalnych stanów splątanych cząstek — obok znanego stanu GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) — cechujący się unikalną trwałością w obliczu utraty jednej cząstki.
Jego wykrycie oraz pomiar stanowiły poważne wyzwanie, ponieważ typowe techniki kwantowej tomografii wymagają liczby pomiarów rosnącej wykładniczo wraz z liczbą cząstek.
Naukowcy z Uniwersytetów w Kioto i Hiroszimie zaproponowali układ fotoniczny z transformacją Fouriera, który pozwala na tzw. entangled measurement — pomiar działający jednym ruchem — dla stanu W.
Eksperyment przeprowadzono dla trzech fotonów, konstruując stabilny układ optyczny, w którym cząstki o odpowiedniej polaryzacji były wprowadzane do urządzenia pozwalającego odróżnić różne odmiany stanu W.
Uzyskano wysoką wierność pomiarową, co oznaczało, że urządzenie z dużym prawdopodobieństwem identyfikowało stan wyjściowy jako konkretny stan W.
Konsekwencje dla teleportacji i obliczeń kwantowych
Umożliwienie pomiaru stanu W otwiera drogę do zaawansowanych protokołów teleportacji kwantowej, w których informacja kwantowa może być przenoszona pomiędzy odległymi punktami bez bezpośredniego przesyłania cząstek nośnych.
Dzięki temu można także rozwijać nowe formy komunikacji kwantowej i transmisji splątanych stanów wielocząstkowych.
Ponadto, w kontekście obliczeń kwantowych opartych o pomiary (measurement-based quantum computing), możliwość realizacji entangled measurement stwarza nowe możliwości projektowania układów kwantowych, w których pomiary odgrywają kluczową rolę.
W przyszłości naukowcy planują rozszerzyć ten mechanizm na większe liczby fotonów oraz opracować rozwiązania na chipach fotonicznych, co pozwoli na miniaturyzację i integrację z istniejącymi technologiami.
Wyzwania i perspektywy dalszych badań
Choć demonstracja działa dla trzech fotonów, skalowanie tego podejścia do większych systemów to ogromne wyzwanie. Stabilność, kontrola błędów, dekoherencja — to główne problemy, które trzeba jeszcze rozwiązać.
Naukowcy zakładają, że technologia pomiarowa będzie integrowana “on-chip” w przyszłych układach fotonicznych, co pozwoli na redukcję rozmiarów i zwiększenie odporności na zaburzenia.
To odkrycie stanowi kamień milowy w technologii kwantowej — przełamanie bariery pomiaru stanu W może przynieść realne efekty w sprzęcie kwantowym już w nadchodzących latach.