Kvantna teleportacija: Naučnici rešili 25 godina star problem kvantnog sprezanja

Naučnici su rešili problem u merenju multifotonskog kvantnog sprezanja, potencijalno otvarajući put ka moćnijim kvantnim tehnologijama.

Razvijena je i eksperimentalno demonstrirana dugo tražena metoda za identifikaciju W stanja, važnog oblika multifotonskog kvantnog sprezanja. Ova tehnika bi mogla znatno olakšati merenje složenih spregnutih sistema, stvarajući nove mogućnosti za kvantnu teleportaciju, komunikaciju i računarstvo.

Preporučujemo

Kvantno sprezanje predstavlja jednu od najčudnijih razlika između svakodnevne fizike i kvantnog sveta. U spregnutom sistemu, čestice poput fotona postaju toliko povezane da se njihova svojstva ne mogu potpuno opisati nezavisno. Umesto toga, sistem se mora tretirati kao celina.

Ova ideja se sukobljava sa klasičnim očekivanjem da bi svaka čestica trebalo da poseduje sopstvenu odvojenu fizičku realnost – odlika kvantne mehanike koja je mučila Alberta Ajnštajna. Ipak, sprezanje se sad smatra jednim od bitnih sastojaka za nastupajuće kvantne tehnologije, uključujući naprednu komunikaciju, računarstvo i transfer informacija.

Problem merenja kvantne spregnutosti

Izgradnja tih tehnologija zahtevaće od naučnika ne samo da stvore multifotonska spregnuta stanja, već i da efikasno odrede koji su tip spregnutog stanja proizveli.

Jedan standardni pristup je kvantna tomografija, tehnika za rekonstrukciju i procenu kvantnog stanja putem velikog broja merenja. Teškoća je u tome što količina potrebnih podataka raste eksponencijalno sa dodavanjem svakog novog fotona. Stoga sistem koji uključuje samo skromno povećanje broja fotona može zahtevati drastično više merenja.

Spregnuto merenje nudi potencijalno mnogo efikasniju alternativu. Umesto prikupljanja velikog broja merenja i zatim rekonstrukcije stanja, ovaj tip merenja može identifikovati spregnuto stanje pristupom jednog pokušaja.

Naučnici su već izveli takvo merenje za Grinberger-Horn-Cajlingerovo (GHZ) stanje, jedan od najpoznatijih oblika multifotonskog sprezanja. Međutim, nijedan sličan metod nije predložen ili eksperimentalno demonstriran za W stanje, drugi važan tip spregnutog multifotonskog stanja.

Istraživači na Univerzitetu Kjoto i Univerzitetu Hirošima rešili su da se pozabave tim nedostatkom. Njihov rad je rezultirao novom metodom za izvođenje spregnutog merenja koje može da identifikuje W stanje.

Upotreba simetrije za identifikaciju W stanja

Istraživači su svoj pristup zasnovali na matematičkom svojstvu W stanja poznatom kao simetrija cikličnog pomaka. Jednostavno rečeno, raspored fotona može se pomerati u ponavljajućem ciklusu uz očuvanje važnog osnovnog obrasca.

Pomoću ove simetrije, teorijski je razvijeno spregnuto merenje zasnovano na fotonskom kvantnom kolu. Ovo kolo vrši kvantnu Furijeovu transformaciju, matematičku operaciju koja može da reorganizuje kvantne informacije na način koji otkriva inače teško primetne obrasce. Predloženi metod se može u principu primeniti na W stanja koja sadrže bilo koji broj fotona.

Istraživači su konstruisali uređaj za testiranje ove ideje sa tri fotona. Koristili su visokostabilna optička kvantna kola koja su mogla da nastave sa radom tokom dugih perioda bez potrebe za aktivnom kontrolom.

Šaljući tri individualna fotona u uređaj sa pažljivo izabranim stanjima polarizacije, istraživači su pokazali da sistem može da raspozna različite vrste trofotonskih W stanja. Svako od ovih stanja predstavlja posebnu neklasičnu korelaciju koju dele tri dolazna fotona.

Takođe je izmerena verodostojnost spregnutog merenja. Verodostojnost pokazuje koliko pouzdano kvantni sistem obavlja predviđeni zadatak. U ovom slučaju, odgovara verovatnoći da uređaj proizvodi tačan rezultat kad se imputira čisto W stanje.

Novi alat za kvantnu teleportaciju

Ovaj napredak bi mogao imati implikacije za nekoliko oblasti kvantne tehnologije. Jedna od njih je kvantna teleportacija, proces koji prenosi kvantne informacije sa jedne lokacije na drugu. Uprkos svom nazivu, kvantna teleportacija ne transportuje materiju fizički. Umesto toga, koristi sprezanje radi prenosa kvantnog stanja koje sadrži informacije.

Novi merni pristup bi takođe mogao doprineti novim protokolima kvantne komunikacije, metodama za prenos multifotonskih kvantnih spregnutih stanja i novim oblicima kvantnog računarstva na bazi merenja.

„Da bismo ubrzali istraživanje i razvoj kvantnih tehnologija, bitno je da bolje razumemo osnovne koncepte da bismo došli do inovativnih ideja“, kažu istraživači.

Proširenje tehnike na veće kvantne sisteme

U planu je proširenje pristupa dalje od demonstracije sa tri fotona. Dugoročni cilj je primena ove metode na obimnija i opštija multifotonska kvantna spregnuta stanja.

Istraživači takođe nameravaju da razviju fotonska kvantna kola na čipu sposobna za izvođenje spregnutih merenja, potencijalno čineći tehnologiju kompaktnijom i lakšom za integraciju u buduće kvantne sisteme.

(Telegraf Nauka/Science Daily)