Výzkumníci z Kyoto University a Hiroshima University navrhli a experimentálně ověřili metodu pro měření takzvaných W stavů, jedné z důležitých forem vícečásticového kvantového provázání. Podle studie zveřejněné v časopise Science Advances jde o první praktickou demonstraci tohoto typu provázaného měření pro tři fotony. Samotný experiment kvantovou teleportaci nepředvedl, mohl by však odstranit jednu z překážek, které její složitější varianty omezují.
Kvantové provázání znamená, že stav částic nelze popsat zcela nezávisle na sobě. W stav je konkrétní uspořádání provázání, v němž se kvantová informace rozděluje mezi více částic. U tří fotonů lze například vytvořit superpozici tří možností: vertikálně polarizovaný je vždy právě jeden foton, ale není určeno který. Polarizace je vlastnost světla popisující směr kmitání elektromagnetického pole a v experimentu sloužila jako nositel kvantové informace.
Dosud bylo obtížné takové stavy přímo rozlišovat. Běžná kvantová tomografie, tedy postup, při němž se stav rekonstruuje z velkého množství různých měření, vyžaduje s rostoucím počtem částic rychle narůstající objem dat. Výzkumníci proto hledali takzvané provázané měření: postup, který dokáže jednotlivé typy kvantových stavů identifikovat přímo z výsledku jediného měřicího procesu, místo aby se jejich podoba dopočítávala z mnoha samostatných měření.
Obvod využívá symetrii fotonů
Nová metoda využívá cyklickou posunovou symetrii W stavů. Ta vyjadřuje, že při postupném přesouvání pozice jednoho odlišně polarizovaného fotonu se zachovává určitá pravidelnost celého systému. Fotonové obvody založené na diskrétní Fourierově transformaci tuto vlastnost převedou do měřitelných rozdílů mezi výstupními porty. Z počtu detekovaných fotonů a jejich polarizace lze následně určit, ke kterému W stavu vstupní systém patřil.
Pro ověření návrhu vědci sestavili optické zařízení pro tři fotony. Použili stabilní interferometrickou architekturu typu displaced-Sagnac, která podle práce dokázala pracovat po několik hodin bez aktivního průběžného nastavování optických drah. Fotony procházely obvodem složeným z děličů svazku, fázových posouvačů a detektorů schopných rozlišovat počet dopadajících fotonů. Výzkumníci přitom nemuseli připravit přímo provázané W stavy; zařízení testovali pomocí separovatelných vstupních stavů, jejichž složky W byly přesně známé.
Průměrná věrnost měření dosáhla hodnoty 0,871 ± 0,039. Věrnost zde vyjadřuje, jak často zařízení při daném vstupu určí správný výsledek. Odchylky od ideálního chování vědci připisují mimo jiné nedokonalé přípravě fotonů, časovému nesouladu laserových pulzů, omezené nerozlišitelnosti fotonů a nedokonalostem optických součástek.
Výsledek rozšiřuje soubor nástrojů pro práci s vícečásticovým provázáním. Mohl by se uplatnit například při výměně provázání mezi částmi kvantové sítě nebo v měřeních potřebných pro některé protokoly kvantové komunikace. Teoretický návrh je formulován i pro větší počet fotonů, experiment však zatím ověřil pouze třífotonovou variantu. Dalším krokem má být rozšíření metody na větší systémy a její převedení do integrovaných fotonových obvodů.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.