Japońscy badacze znaleźli sposób na odczytanie trudnego stanu splątania kwantowego

Wytworzenie splątania kwantowego to jedno, ale ustalenie, jak dokładnie powiązane są ze sobą uczestniczące w nim cząstki, to zupełnie inna sprawa. Wraz ze wzrostem liczby cząstek w układzie rośnie też trudność określenia rodzaju korelacji między nimi. Zespół badaczy z Japonii znalazł jednak rozwiązanie tego problemu, konstruując obwód optyczny oparty na interferencji fotonów, który umożliwia rozpoznawanie tzw. stanów W.

Czym stan W różni się od pozostałych form splątania?

Cząstek splątanych nie da się opisać osobno, traktując każdą z nich jako niezależny byt. Ich wspólny stan kwantowy kryje w sobie zależności, których nie da się wytłumaczyć w kategoriach klasycznej fizyki, gdzie każdy obiekt ma z góry określone właściwości. Dystans dzielący cząstki nie przerywa tej więzi, ale też nie pozwala wykorzystać jej do przesyłania informacji szybciej niż porusza się światło. Rezultat pojedynczego pomiaru jest przypadkowy, więc nie sposób zaszyć w nim wiadomości, która dotarłaby natychmiast do odbiorcy oddalonego o lata świetlne. To właśnie struktura tych powiązań jest fundamentem technologii kwantowych, dlatego potrzebne są metody, które pozwolą ją rozpoznawać i nad nią panować.

Gdy w grę wchodzą trzy cząstki, wyróżnia się dwa charakterystyczne typy splątania: stan GHZ i stan W. Mówiąc najprościej, GHZ oznacza sytuację, w której albo wszystkie trzy fotony mają polaryzację poziomą, albo wszystkie mają polaryzację pionową. Stan W jest bardziej rozbudowany, bo dopuszcza trzy warianty: jeden foton ma polaryzację pionową, a dwa pozostałe poziomą, przy czym nie wiadomo z góry, który konkretnie foton jest tym wyróżnionym. Tu pojawia się ciekawa różnica: jeśli w stanie W zniknie jedna z cząstek, pozostałe dwie wciąż są ze sobą splątane, podczas gdy w idealnym stanie GHZ utrata jednej cząstki całkowicie niszczy splątanie pozostałej pary. Ta odporność na straty sprawia, że stany W budzą duże zainteresowanie jako podstawa przetwarzania informacji w systemach obejmujących wielu uczestników. Trzeba jednak zaznaczyć, że do praktycznej wymiany informacji kwantowej wciąż jest bardzo daleko.

Obwód optyczny wykrył symetrię układu trzech fotonów

Klasyczną metodą badania nieznanego stanu kwantowego jest tomografia kwantowa – proces polegający na odtworzeniu matematycznego opisu układu na podstawie wielu pomiarów. Wymaga on wielokrotnego przygotowywania tej samej konfiguracji i sprawdzania jej przy różnych ustawieniach sprzętu pomiarowego. Problem w tym, że liczba koniecznych pomiarów potrzebnych do pełnej rekonstrukcji rośnie wykładniczo wraz z liczbą kubitów, czyli kwantowych odpowiedników bitów.

Japoński zespół postawił na inne podejście, bazując na symetrii, jaką stany W ujawniają przy cyklicznej zamianie kubitów miejscami. Skonstruowany przez badaczy interferometr wykonywał dyskretną transformację Fouriera – operację matematyczną, która przekłada tę symetrię na konkretny rozkład wyników detekcji. Do układu wprowadzano trzy pojedyncze fotony o specjalnie dobranych polaryzacjach, a sam obwód mieszał ich ścieżki optyczne. Powstająca w ten sposób interferencja, czyli wzmacnianie lub wygaszanie amplitud poszczególnych możliwości, tworzyła charakterystyczne wzorce umożliwiające rozróżnienie składowych stanu W. Eksperyment sprawdzał więc zdolność urządzenia do wykonania takiego pomiaru bez konieczności pełnej rekonstrukcji stanu wejściowego za każdym razem.

Rezultat spełnił oczekiwania, a nawet je przewyższył

Średnia wierność, z jaką układ rozróżniał stany, wyniosła 0,871 +/- 0,039, czyli około 87 procent. Dla idealnego wejściowego stanu W taki parametr odpowiada prawdopodobieństwu uzyskania prawidłowego wyniku pomiaru. Kluczowe znaczenie miało jednak nie samo zbliżenie się do stu procent, lecz przekroczenie granicy dwóch trzecich – zdaniem badaczy pomiar, który traktuje układ jako zbiór niezależnie mierzonych części, nie jest w stanie przekroczyć tego progu. Skoro wynik okazał się wyższy, oznacza to, że urządzenie rzeczywiście dokonuje pomiaru splątanego, obejmującego jednocześnie wszystkie trzy kubity. Odpowiedź na pytanie, dlaczego nie udało się osiągnąć stu procent, tkwi głównie w niedoskonałościach przygotowania fotonów oraz samej aparatury, w tym w niepełnej zgodności ich właściwości przestrzennych i czasowych.

Teoretyczne podstawy tej metody obejmują także układy z większą liczbą fotonów, jednak sam eksperyment celowo ograniczono do trzech, co było rozsądnym wyborem na tym etapie. Rozszerzenie podejścia na większe układy będzie wymagało osobnej weryfikacji działania oraz opanowania błędów optycznych, które w technologiach kwantowych pojawiają się wyjątkowo łatwo. Zespół zapowiedział dalszy rozwój układów fotonicznych umieszczanych na chipach oraz rozszerzenie metody na bardziej ogólne stany wielofotonowe. Takie postępy mogłyby wesprzeć powstawanie nowych protokołów sieci kwantowych, teleportację informacji kwantowej oraz obliczenia oparte na pomiarach.