Splątanie kwantowe potrafi zachowywać się jeszcze dziwniej, niż sugeruje jego reputacja. Fizycy z Japonii zademonstrowali eksperymentalnie nowy sposób pomiaru szczególnego rodzaju wielocząstkowego splątania, nazywanego stanem W. W doświadczeniu z trzema fotonami metoda pozwoliła rozpoznać badany stan ze średnią wiernością około 87 procent. To ważny krok w kierunku bardziej praktycznych komputerów kwantowych, komunikacji kwantowej i zaawansowanych czujników.
Splątanie kwantowe wciąż potrafi zaskakiwać fizyków
Splątanie kwantowe jest jednym z tych zjawisk, które doskonale pokazują, jak bardzo świat najmniejszych cząstek różni się od rzeczywistości znanej z codziennego życia.
Dwie lub więcej splątanych cząstek nie mogą być w pełni opisywane niezależnie od siebie. Tworzą wspólny stan kwantowy, a pomiar jednej części układu jest powiązany z wynikami możliwymi do uzyskania dla pozostałych.
Zależności te mogą utrzymywać się nawet wtedy, gdy cząstki są od siebie bardzo daleko.
Nie oznacza to jednak możliwości wysyłania wiadomości szybciej od światła. Wyniki pojedynczych pomiarów mają charakter losowy, dlatego splątania nie da się wykorzystać jako kosmicznego komunikatora pozwalającego natychmiast przesłać informację z Ziemi na Marsa.
Jest za to niezwykle cenne w rozwijających się technologiach kwantowych.
Problem zaczyna się wtedy, gdy zamiast dwóch cząstek chcemy kontrolować znacznie bardziej rozbudowane układy.
Im więcej splątanych cząstek, tym trudniejszy pomiar
Przyszłe technologie kwantowe wymagają nie tylko tworzenia splątanych układów, lecz również skutecznego sprawdzania, w jakim stanie się znajdują.
W przypadku kilku czy kilkunastu elementów sprawa szybko się komplikuje.
Jedną z metod stosowanych przez fizyków jest tomografia kwantowa. Jej zasadę można w pewnym uproszczeniu porównać z tomografią wykorzystywaną w medycynie. Zamiast próbować uzyskać cały obraz za jednym razem, wykonuje się wiele pomiarów, a następnie rekonstruuje na ich podstawie stan badanego układu.
W świecie kwantowym wiąże się to jednak z poważnym problemem.
Sam pomiar wpływa na badany układ. Naukowcy potrzebują więc wielu identycznie przygotowanych stanów, aby zebrać odpowiednią liczbę danych.
Co gorsza, wraz ze wzrostem liczby splątanych cząstek liczba potrzebnych pomiarów może rosnąć bardzo szybko. To tworzy poważne ograniczenie dla coraz większych układów kwantowych.
Fizycy z Uniwersytetu w Kioto i Uniwersytetu w Hiroszimie postanowili podejść do problemu inaczej.
Nie każde splątanie wygląda tak samo
Mówienie po prostu o „splątanych cząstkach” może sugerować, że wszystkie takie układy działają podobnie. W rzeczywistości istnieją różne klasy wielocząstkowego splątania.
Jednym z najlepiej poznanych przykładów jest stan Greenbergera-Horne’a-Zeilingera, w skrócie GHZ.
Można go potraktować jako jeden z podstawowych modeli służących fizykom do badania splątania wielu cząstek.
Istnieje jednak również inny ważny rodzaj – stan W.
I właśnie on znalazł się w centrum nowego eksperymentu.
Stan W ma niezwykle interesującą właściwość. Jeżeli z układu utracona zostanie jedna ze splątanych cząstek, pozostałe mogą nadal zachowywać użyteczne splątanie.
To odróżnia go od stanów GHZ i może mieć ogromne znaczenie w rzeczywistych urządzeniach, w których utrata cząstki lub pojawienie się zakłóceń nie jest jedynie teoretyczną możliwością.
Problem polegał na tym, jak skutecznie takie splątanie zmierzyć.
Na ten pomiar fizycy czekali ponad 25 lat
Badania nad sposobami mierzenia wielocząstkowego splątania mają długą historię. Techniki opracowane dla stanów GHZ były znane od ponad ćwierć wieku, ale analogiczny pomiar dla stanu W pozostawał wyzwaniem.
Zespół kierowany przez japońskich badaczy zaprezentował metodę pozwalającą zmierzyć właśnie taki układ.
Praca została opublikowana we wrześniu 2025 roku w czasopiśmie „Science Advances”.
Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem trzech fotonów.
Badacze nie chcieli rekonstruować całego układu poprzez ogromną serię klasycznych pomiarów tomograficznych. Zamiast tego opracowali układ optyczny umożliwiający uzyskanie potrzebnych informacji w znacznie bardziej bezpośredni sposób.
Kluczową rolę odegrała dyskretna transformata Fouriera, czyli DFT.
Trzy fotony trafiły do specjalnego układu optycznego
W eksperymencie trzy fotony o kontrolowanych właściwościach zostały skierowane do skonstruowanego przez naukowców urządzenia optycznego.
Układ rozdzielał fotony na różne drogi, a następnie umożliwiał ich interferencję.
Interferencja jest jednym z podstawowych zjawisk falowych. Gdy fale nakładają się na siebie, mogą się wzmacniać lub wygaszać w zależności od wzajemnego ułożenia ich faz.
W przypadku fotonów mechanizm ten pozwala wydobywać informacje o ich stanie kwantowym.
Opracowany przez badaczy układ działał jak zaawansowany interferometr. Pozwalał wykorzystać szczególną właściwość matematyczną stanu W określaną jako symetria przesunięcia cyklicznego.
Brzmi skomplikowanie, ale samą ideę można przedstawić znacznie prościej.
Kwantowa wersja zamiany miejsc przy stole
Wyobraźmy sobie trzy osoby siedzące przy okrągłym stole. Każda z nich przesuwa się o jedno miejsce w lewo.
Osoby siedzą teraz na innych krzesłach, ale ogólny układ nadal wygląda tak samo.
Podobną właściwość można odnaleźć w matematycznym opisie badanego stanu W. Po cyklicznym przesunięciu poszczególnych elementów struktura całego układu pozostaje niezmieniona.
Ta symetria działa niczym charakterystyczny odcisk palca badanego stanu kwantowego.
Naukowcy wykorzystali właśnie tę właściwość do jego identyfikacji.
Dzięki odpowiednio zaprojektowanej interferencji trzech fotonów mogli odczytać informacje potrzebne do rozpoznania stanu bez wykonywania pełnej, wymagającej wielu pomiarów tomografii kwantowej.
Splątanie kwantowe rozpoznano z wynikiem około 87 procent
Eksperyment przyniósł średnią wierność rozróżniania pomiarów na poziomie 0,871 ± 0,039.
Oznacza to wynik wynoszący około 87 procent.
Co szczególnie istotne, rezultat znacznie przekroczył matematyczny próg 66,7 procent, czyli dwóch trzecich, wymagany do wykazania skutecznego pomiaru badanego splątania trzech cząstek.
Eksperyment nie osiągnął jednak stuprocentowej skuteczności.
Według zespołu różnica wynika przede wszystkim z niedoskonałości związanych z przygotowaniem fotonów oraz samym układem pomiarowym.
Nie zmienia to najważniejszego wyniku: fizykom udało się eksperymentalnie zademonstrować metodę pomiaru splątania dla trójfotonowego stanu W.
Dlaczego stan W jest tak interesujący?
Odporność stanu W na utratę jednej cząstki może być szczególnie cenna w praktycznych systemach kwantowych.
Rzeczywiste urządzenia nie działają w idealnym świecie. Fotony mogą zostać utracone, układ może być podatny na zakłócenia, a każdy dodatkowy element zwiększa stopień komplikacji eksperymentu.
Jeśli część splątania może przetrwać utratę jednego składnika, powstają nowe możliwości konstruowania bardziej odpornych systemów.
Sama umiejętność tworzenia takich stanów to jednak za mało. Trzeba jeszcze potrafić sprawdzić, czy urządzenie rzeczywiście przygotowało odpowiedni stan.
Dlatego opracowanie skuteczniejszych metod pomiarowych jest tak istotne.
Nowa metoda może pomóc komputerom kwantowym
Autorzy badania wskazują kilka dziedzin, w których opracowana metoda może znaleźć zastosowanie.
Jedną z nich są fotoniczne komputery kwantowe, w których informacje są przetwarzane z wykorzystaniem światła.
Drugim ważnym obszarem jest komunikacja kwantowa. Splątane stany są istotnym elementem technologii związanych z przesyłaniem i zabezpieczaniem informacji.
Kolejnym zastosowaniem mogą być czujniki kwantowe wykorzystujące efekty niedostępne dla klasycznych urządzeń pomiarowych.
Splątanie kwantowe jest jednym z fundamentów wszystkich tych technologii, ale wraz ze wzrostem rozmiarów systemów coraz ważniejsze stają się metody pozwalające sprawnie kontrolować ich stan.
Nowe doświadczenie pokazuje, że nie zawsze musi to oznaczać wykonywanie ogromnej liczby osobnych pomiarów.
Kolejnym krokiem mają być układy kwantowe na chipie
Japoński zespół nie zamierza kończyć badań na eksperymencie z trzema fotonami.
Następnym celem jest stworzenie fotonicznych obwodów kwantowych zintegrowanych na chipie, które umożliwiałyby wykonywanie podobnych pomiarów splątanych struktur.
Miniaturyzacja może być jednym z kluczowych etapów na drodze od laboratoryjnych eksperymentów do praktycznych urządzeń.
Duże układy optyczne składające się z wielu elementów są trudne do skalowania i wymagają bardzo precyzyjnej kontroli. Przeniesienie części funkcji do zintegrowanych obwodów fotonicznych może ułatwić tworzenie bardziej rozbudowanych systemów.
Nie oznacza to oczywiście, że dzięki jednemu eksperymentowi komputery kwantowe nagle trafią na każde biurko.
Pokazuje jednak, że fizycy zdobyli kolejne narzędzie potrzebne do kontrolowania coraz bardziej skomplikowanych stanów kwantowych.
Od trzech fotonów do większych systemów
Największym wyzwaniem pozostaje skalowanie.
Eksperyment dotyczył trzech fotonów, podczas gdy przyszłe systemy kwantowe będą wymagały kontrolowania znacznie większej liczby elementów.
Właśnie dlatego wynik ma znaczenie.
Jeśli nowe podejście uda się rozszerzyć na większe układy, może ono pomóc ograniczyć jeden z problemów związanych z pomiarami wielocząstkowego splątania.
Komputery kwantowe, komunikacja i czujniki potrzebują bowiem nie tylko coraz większej liczby kubitów. Potrzebujemy także sposobu na sprawdzenie, czy te kubity rzeczywiście tworzą stan, którego oczekujemy.
Po ponad 25 latach od pierwszych prac nad podobnymi pomiarami dla stanów GHZ fizykom udało się zrobić ważny krok w przypadku bardziej złożonego stanu W.
Trzy fotony to jeszcze nie kwantowa rewolucja. Ale w świecie, w którym każda kolejna cząstka potrafi dramatycznie zwiększyć stopień trudności eksperymentu, umiejętność skuteczniejszego pomiaru może okazać się równie ważna jak samo tworzenie splątania.