Új kapu nyílhat a kvantumteleportáció előtt

A kvantumösszefonódás a kvantumfizika egyik legkülönösebb jelensége: az összefonódott részecskék, például fotonok tulajdonságai nem írhatók le teljesen egymástól függetlenül, hanem egyetlen közös rendszerként kell kezelni őket. A jelenség egykor Albert Einsteint is zavarba ejtette, ma azonban a kvantumkommunikáció, a kvantumszámítógépek és a kvantuminformatika egyik fontos alapjának számít.

A technológia fejlődésének egyik akadálya, hogy a kutatóknak nemcsak létre kell hozniuk a több fotonból álló összefonódott állapotokat, hanem azt is gyorsan meg kell tudniuk állapítani, pontosan milyen állapot jött létre. Erre jelenleg gyakran kvantumtomográfiát alkalmaznak, amely nagyszámú mérésből rekonstruálja a kvantumállapotot. A szükséges adatmennyiség azonban a fotonok számának növekedésével exponenciálisan emelkedik.

A megoldást egy úgynevezett összefonódott mérés jelentheti. Ez lehetővé teszi, hogy a rendszer állapotát sok különálló mérés helyett egyetlen mérési eljárással azonosítsák. Több mint 25 éve sikerült ilyen módszert kidolgozni az úgynevezett GHZ-állapotokra, a többfotonos összefonódás egyik ismert formájára. A másik fontos típus, a W-állapot esetében azonban mindeddig nem állt rendelkezésre hasonló, kísérletileg is igazolt módszer.

Három fotonnal már működik az új módszer

A Kiotói Egyetem és a Hirosimai Egyetem kutatói most ezt a hiányosságot pótolták. A Shigeki Takeuchi által vezetett csapat olyan összefonódott mérési eljárást fejlesztett ki, amely képes azonosítani a W-állapotot, és ezt három fotonnal kísérletileg is demonstrálták.

A kutatók a W-állapot egyik matematikai tulajdonságára, az úgynevezett ciklikus eltolási szimmetriára építették a módszert. Egy fotonikus kvantumáramkört hoztak létre, amely kvantum-Fourier-transzformáció segítségével alakítja át a kvantuminformációt úgy, hogy az egyébként nehezen felismerhető mintázatok mérhetővé váljanak. Az eljárás elméletileg tetszőleges számú fotonból álló W-állapotokra is kiterjeszthető.

A kísérlet

A kísérletben három fotont küldtek az eszközbe, gondosan beállított polarizációs állapotokkal. A rendszer képes volt megkülönböztetni a háromfotonos W-állapotok különböző típusait. A kutatók emellett a mérés hűségét is meghatározták, vagyis azt, milyen valószínűséggel adja az eszköz a megfelelő eredményt egy tiszta W-állapot esetében.

A fejlesztés a kvantumtechnológia több területén is hasznos lehet. A kutatók szerint az egyik lehetséges alkalmazás a kvantumteleportáció, amely során nem anyagot továbbítanak, hanem egy kvantumállapotban tárolt információt juttatnak el egyik helyről a másikra. Az új mérési technika emellett új kvantumkommunikációs protokollokhoz és mérésalapú kvantumszámítógépekhez is hozzájárulhat.

A következő lépés a módszer nagyobb rendszerekre történő kiterjesztése. A kutatók hosszabb távon olyan, chipbe integrálható fotonikus kvantumáramköröket is fejlesztenének, amelyek kompaktabbá és szélesebb körben alkalmazhatóvá tehetik az összefonódott állapotok mérését.