Η κβαντική διεμπλοκή είναι χρήσιμη μόνο όταν οι ερευνητές μπορούν να αναγνωρίσουν με αξιόπιστο τρόπο την κατάσταση που δημιούργησαν. Μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Κιότο και το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα παρουσίασε και απέδειξε πειραματικά μια μέθοδο για τη μέτρηση τριφωτονικών W states, λύνοντας ένα πρόβλημα που παρέμενε ανοιχτό περίπου 25 χρόνια.
Το αποτέλεσμα δεν είναι ακόμη κβαντικό διαδίκτυο, αλλά ένα νέο εργαλείο μέτρησης. Η τεχνική μπορεί να κάνει πιο πρακτική τη μελέτη σύνθετων διεμπλεγμένων συστημάτων και να στηρίξει μελλοντικές εφαρμογές στην κβαντική τηλεμεταφορά, τις επικοινωνίες και τον υπολογισμό.
Γιατί η μέτρηση της διεμπλοκής είναι δύσκολη
Όταν αυξάνεται ο αριθμός των φωτονίων, η πλήρης περιγραφή της κβαντικής κατάστασης απαιτεί ολοένα περισσότερα δεδομένα. Η κλασική προσέγγιση, η κβαντική τομογραφία, ανασυνθέτει την κατάσταση από πολλές μετρήσεις, όμως ο όγκος τους αυξάνεται εκθετικά καθώς προστίθενται φωτόνια.
Οι ερευνητές είχαν ήδη δείξει ότι μια ειδική «διεμπλεγμένη μέτρηση» μπορεί να αναγνωρίσει GHZ states, μια άλλη σημαντική κατηγορία πολυφωτονικών καταστάσεων. Αντίστοιχη μέθοδος για τα W states δεν είχε μέχρι τώρα προταθεί και επιβεβαιωθεί πειραματικά.
Η συμμετρία πίσω από τη νέα μέθοδο
Η ομάδα αξιοποίησε την κυκλική συμμετρία μετατόπισης των W states. Με απλά λόγια, η διάταξη των φωτονίων μπορεί να μετατοπίζεται κυκλικά, διατηρώντας ένα βασικό μοτίβο στις συσχετίσεις τους.
Με βάση αυτή την ιδιότητα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα φωτονικό κβαντικό κύκλωμα που εκτελεί κβαντικό μετασχηματισμό Fourier. Ο μετασχηματισμός αναδιατάσσει την κβαντική πληροφορία έτσι ώστε το κύκλωμα να αποκαλύπτει μοτίβα που θα ήταν δύσκολο να εντοπιστούν με απευθείας μετρήσεις.
Η θεωρητική πρόταση, σύμφωνα με την πηγή, μπορεί κατ’ αρχήν να εφαρμοστεί σε W states με οποιονδήποτε αριθμό φωτονίων. Η πειραματική επίδειξη περιορίστηκε σε τρία φωτόνια.
Τι έδειξε το πείραμα
Η ομάδα κατασκεύασε ένα σταθερό οπτικό κβαντικό κύκλωμα και τροφοδότησε τη διάταξη με τρία μεμονωμένα φωτόνια, των οποίων οι καταστάσεις πόλωσης είχαν επιλεγεί προσεκτικά. Το σύστημα μπόρεσε να διακρίνει διαφορετικές τριφωτονικές W states, δηλαδή διαφορετικές μη κλασικές συσχετίσεις ανάμεσα στα φωτόνια.
Οι ερευνητές μέτρησαν επίσης την πιστότητα της διεμπλεγμένης μέτρησης. Η τιμή αυτή δείχνει πόσο αξιόπιστα παράγει η διάταξη το σωστό αποτέλεσμα όταν δέχεται ως είσοδο μια καθαρή W state. Πρόκειται για σημαντικό έλεγχο, επειδή η αναγνώριση μιας κβαντικής κατάστασης έχει αξία μόνο αν το αποτέλεσμα επαναλαμβάνεται με υψηλή αξιοπιστία.
Τι σημαίνει για την κβαντική τεχνολογία
Η κβαντική τηλεμεταφορά δεν μετακινεί ύλη από το ένα σημείο στο άλλο. Μεταφέρει την κβαντική κατάσταση που περιέχει πληροφορία, χρησιμοποιώντας διεμπλοκή και κλασική επικοινωνία. Μια αποδοτικότερη μέτρηση πολυφωτονικών καταστάσεων θα μπορούσε να βοηθήσει στον σχεδιασμό πρωτοκόλλων που χειρίζονται πιο σύνθετη κβαντική πληροφορία.
Η ίδια ιδέα μπορεί να αξιοποιηθεί σε επικοινωνίες με διεμπλεγμένες καταστάσεις και σε υπολογισμούς που βασίζονται σε μετρήσεις. Ωστόσο, η επίδειξη των τριών φωτονίων είναι εργαστηριακό βήμα και όχι έτοιμη τεχνολογία δικτύου. Χρειάζεται να φανεί αν η μέθοδος διατηρεί την απόδοσή της σε μεγαλύτερα συστήματα και σε πιο ολοκληρωμένα, μικροκατασκευασμένα κυκλώματα.
Η επόμενη κατεύθυνση της ομάδας είναι η επέκταση της τεχνικής σε μεγαλύτερες και γενικότερες πολυφωτονικές καταστάσεις, καθώς και η ανάπτυξη on-chip φωτονικών κυκλωμάτων. Αν αυτό επιτευχθεί, η μέτρηση της διεμπλοκής θα μπορούσε να γίνει πιο συμπαγής, σταθερή και εύκολη στην ενσωμάτωση σε μελλοντικές κβαντικές συσκευές.