Квантна телепортација: Научници ријешили 25 година стар проблем квантног спрезања

Развијена је и експериментално демонстрирана дуго тражена метода за идентификацију W стања, важног облика мултифотонског квантног спрезања. Ова техника би могла знатно олакшати мјерење сложених спрегнутих система, стварајући нове могућности за квантну телепортацију, комуникацију и рачунарство.

Квантно спрезање представља једну од најчуднијих разлика између свакодневне физике и квантног света. У спрегнутом систему, честице попут фотона постају толико повезане да се њихова својства не могу потпуно описати независно. Умјесто тога, систем се мора третирати као цјелина.

Ова идеја се сукобљава са класичним очекивањем да би свака честица требало да посједује сопствену одвојену физичку реалност – одлика квантне механике која је мучила Алберта Ајнштајна. Ипак, спрезање се сад сматра једним од битних састојака за наступајуће квантне технологије, укључујући напредну комуникацију, рачунарство и трансфер информација.

Проблем мјерења квантне спрегнутости

Изградња тих технологија захтјеваће од научника не само да створе мултифотонска спрегнута стања, већ и да ефикасно одреде који су тип спрегнутог стања произвели.

Један стандардни приступ је квантна томографија, техника за реконструкцију и процену квантног стања путем великог броја мјерења. Тешкоћа је у томе што количина потребних података расте експоненцијално са додавањем сваког новог фотона. Стога систем који укључује само скромно повећање броја фотона може захтјевати драстично више мјерења.

Спрегнуто мјерење нуди потенцијално много ефикаснију алтернативу. Умјесто прикупљања великог броја мјерења и затим реконструкције стања, овај тип мјерења може идентификовати спрегнуто стање приступом једног покушаја.

Наука и технологија

Дивље животиње активно доприносе ублажавању климатских промјена

Научници су већ извели такво мерење за Гринбергер-Хорн-Цајлингерово (ГХЗ) стање, један од најпознатијих облика мултифотонског спрезања. Међутим, ниједан сличан метод није предложен или експериментално демонстриран за W стање, други важан тип спрегнутог мултифотонског стања.

Истраживачи на Универзитету Кјото и Универзитету Хирошима рјешили су да се позабаве тим недостатком. Њихов рад је резултирао новом методом за извођење спрегнутог мјерења које може да идентификује W стање.

Употреба симетрије за идентификацију W стања

Истраживачи су свој приступ засновали на математичком својству W стања познатом као симетрија цикличног помака. Једноставно речено, распоред фотона може се помјерати у понављајућем циклусу уз очување важног основног обрасца.

Помоћу ове симетрије, теоријски је развијено спрегнуто мјерење засновано на фотонском квантном колу. Ово коло врши квантну Фуријеову трансформацију, математичку операцију која може да реорганизује квантне информације на начин који открива иначе тешко приметне обрасце. Предложени метод се може у принципу примијенити на W стања која садрже било који број фотона.

Истраживачи су конструисали уређај за тестирање ове идеје са три фотона. Користили су високостабилна оптичка квантна кола која су могла да наставе са радом током дугих периода без потребе за активном контролом.

Шаљући три индивидуална фотона у уређај са пажљиво изабраним стањима поларизације, истраживачи су показали да систем може да распозна различите врсте трофотонских W стања. Свако од ових стања представља посебну некласичну корелацију коју дијеле три долазна фотона.

Такође је измјерена вјеродостојност спрегнутог мјерења. Вјеродостојност показује колико поуздано квантни систем обавља предвиђени задатак. У овом случају, одговара вероватноћи да уређај производи тачан резултат кад се импутира чисто W стање.

Нови алат за квантну телепортацију

Овај напредак би могао имати импликације за неколико области квантне технологије. Једна од њих је квантна телепортација, процес који преноси квантне информације са једне локације на другу. Упркос свом називу, квантна телепортација не транспортује материју физички. Умјесто тога, користи спрезање ради преноса квантног стања које садржи информације.

Наука и технологија

Робот који плаче на команду: Стигао модел који имитира емоције

Нови мерни приступ би такође могао допринијети новим протоколима квантне комуникације, методама за пренос мултифотонских квантних спрегнутих стања и новим облицима квантног рачунарства на бази мјерења.

„Да бисмо убрзали истраживање и развој квантних технологија, битно је да боље разумијемо основне концепте да бисмо дошли до иновативних идеја“, кажу истраживачи.

Проширење технике на веће квантне системе

У плану је проширење приступа даље од демонстрације са три фотона. Дугорочни циљ је примјена ове методе на обимнија и општија мултифотонска квантна спрегнута стања.

Истраживачи такође намјеравају да развију фотонска квантна кола на чипу способна за извођење спрегнутих мјерења, потенцијално чинећи технологију компактнијом и лакшом за интеграцију у будуће квантне системе, пише Сајенс дејли.