这一观点与经典预期相冲突，经典预期认为每个粒子都应拥有其自身独立的物理实在，这一量子力学特征曾让阿尔伯特·爱因斯坦深感困扰。然而，纠缠现在被认为是新兴量子技术的关键要素之一，包括高级通信、计算和信息传输。
测量量子纠缠的挑战
构建这些技术不仅需要科学家创造多光子纠缠态，还需要他们高效地确定所生成的纠缠态类型。
一种标准方法是量子层析，这是一种通过进行多次测量来重建和估计量子态的技术。困难在于，所需的数据量随着光子数量的增加而呈指数级增长。因此，光子数量仅适度增加的系统也可能需要大幅增加测量次数。
纠缠测量提供了一种潜在且高效得多的替代方案。这种类型的测量无需收集大量测量数据并在事后重建状态，而是可以使用单次方法识别纠缠态。
科学家此前已经针对最著名的多光子纠缠形式之一——Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态——完成了这种测量。但对于另一种重要的多光子纠缠态——W态，此前尚未提出或实验证明任何可比的方法。
京都大学和广岛大学的研究人员着手解决这一缺失的能力。他们的工作产生了一种新的执行纠缠测量的方法，能够识别W态。
“在最初提出关于GHZ态的纠缠测量25年多之后，我们终于也获得了W态的纠缠测量，并对三光子W态进行了真正的实验演示，”通讯作者Shigeki Takeuchi说。
利用对称性识别W态
研究人员围绕W态的一种被称为循环移位对称性的数学性质构建了他们的方法。简而言之，光子的排列可以在保持重要底层模式的同时，进行重复循环移位。
利用这种对称性，该团队在理论上开发了一种基于光子量子线路的纠缠测量。该线路执行量子傅里叶变换，这是一种数学运算，能够以揭示原本难以检测的模式的方式重组量子信息。他们提出的方法原则上可以应用于包含任意数量光子的W态。
随后，研究人员构建了一个装置，用三个光子测试了这一想法。他们使用了高稳定性的光学量子线路，这些线路无需主动控制即可长时间持续运行。
通过将三个具有精心挑选偏振态的单光子送入该装置，研究人员表明该系统能够区分不同类型的三光子W态。这些状态中的每一种都代表了三个入射光子共享的特定非经典关联。
该团队还测量了纠缠测量的保真度。保真度指示了量子系统执行预期任务的可靠性。在这种情况下，它对应于当给定纯W态输入时，该装置产生正确结果的概率。
量子隐形传态的新工具
这一进展可能对量子技术的多个领域产生影响。
其中之一是量子隐形传态，这是一个将量子信息从一个位置传输到另一个位置的过程。尽管名字如此，量子隐形传态并不物理传输物质。相反，它利用纠缠来传输包含信息的量子态。
这种新的测量方法还可以为新的量子通信协议、传输多光子量子纠缠态的方法以及新形式的基于测量的量子计算做出贡献。
“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，”Takeuchi说。
将该技术扩展到更大的量子系统
研究人员现在计划将他们的方法扩展到三光子演示之外。
他们的长期目标是将该方法应用于更大规模和更一般的多光子量子纠缠态。该团队还打算开发能够执行纠缠测量的片上光子量子线路，这可能会使该技术更紧凑，并更容易集成到未来的量子系统中。