日本科学家开发了一种即时探测难以捕捉的量子“W态”的新方法，这是量子技术领域的一个重大里程碑。这一突破有助于实现更快的量子通信、隐形传态以及强大的新型计算系统。
如今，纠缠不仅仅是一个哲学难题。它是研究人员希望定义未来的许多技术中的关键要素，包括量子计算、量子通信、量子隐形传态和量子网络。
读取量子态的挑战
为了构建这些技术，科学家需要做的不仅仅是创造纠缠态。他们还需要可靠的方法来确切地分辨他们制造了什么样的纠缠态。
这就是问题变得困难的地方。一种称为量子层析的标准方法可以估计量子态，但随着光子的增加，所需的测量数量呈爆炸式增长。对于由许多纠缠光子组成的系统，这造成了一个严重的瓶颈。
一个更强大的解决方案是纠缠测量，它可以在单次测量中识别特定的纠缠态。科学家们已经针对Greenberger Horne Zeilinger（简称GHZ）态演示了这种测量。但是W态作为另一种主要的多光子纠缠类型，仍然难以企及。在这项工作之前，尚未提出或实验演示过针对W态的此类测量方法。
科学家瞄准难以捉摸的W态
来自京都大学和广岛大学的一个团队着手解决这一缺失的环节。他们的工作提出了一种执行纠缠测量的方法，能够识别W态，并利用三个光子进行了实验演示。
“在最初提出关于GHZ态的纠缠测量建议25年多之后，我们也终于获得了针对W态的纠缠测量方法，并对三光子W态进行了真正的实验演示，”通讯作者武内慎树说。
这一突破来自于关注W态的一个特殊特征，即循环移位对称性。利用这一特性，研究人员提出了一种光子量子电路，能够对任意数量光子的W态执行量子傅里叶变换。实际上，这为他们提供了一种将W态的隐藏结构转化为可测量信号的方法。
由光构建的稳定装置
为了验证这一想法，该团队利用高度稳定的光量子电路构建了一个用于三个光子的装置。该系统能够在无需主动控制的情况下长时间运行，这对于未来无法依赖脆弱且需不断调整的实验室装置的量子技术而言，是一个重要特征。
研究人员将三个单光子以精心选择的偏振态注入装置。随后，该装置区分了不同类型的三光子W态。这些态中的每一个都代表了三个入射光子之间特定的非经典关联。
团队还评估了纠缠测量的保真度。在这种情况下，保真度是指当输入为纯W态时，装置给出正确结果的概率。
这对量子技术为何重要
这一成就可能有助于推进量子隐形传态，该技术涉及传输量子信息而非将物质从一处移动到另一处。它还可以支持新的量子通信协议、多光子纠缠态的传输以及基于测量的量子计算的新方法。
“为了加速量子技术的研发，加深对基本概念的理解以提出创新理念至关重要，”武内说。
这项工作符合将量子通信和光子量子系统从精密的实验室演示推向更具扩展性平台的更广泛趋势。自2025年W态研究以来，相关领域的进展一直在持续。2025年底，研究人员演示了在混合城市网络中使用来自不同量子点的光子进行全光量子隐形传态。2026年，另一个团队报告了一种集成光子芯片，能够在单个器件上产生、操纵和测量多组分簇态纠缠。这些结果并非W态实验的直接延伸，但它们展示了对复杂纠缠进行更好的控制和测量为何依然如此重要。
量子网络也正在走向现实世界的基础设施。2026年，研究人员测试了一个三节点量子网络，该网络横跨纽约现有的光纤电缆，利用纠缠交换将量子链路连接成一个小型网络。这类进展凸显了对精确纠缠测量的长期需求，因为未来的量子网络将依赖于产生、路由、验证和传输脆弱量子态的能力。
迈向更大的量子系统
京都大学和广岛大学的团队目前计划将其方法扩展到更大、更通用的多光子纠缠态。他们还旨在开发用于纠缠测量的片上光子量子电路。
如果这项努力成功，读取复杂量子态的能力将变得更快、更小、更实用。对于建立在纠缠基础上的技术而言，这将标志着朝着能够在未来的计算机和网络中可靠传输量子信息的系统迈出重要一步。