25年难题破解：日本物理学家首次测出"另一种"量子纠缠
量子纠缠是量子计算、量子密码等技术的根基，但纠缠态极难操控。物理学家常用量子层析来测量纠缠粒子：先制备大量相同的粒子副本，再逐个从不同角度测量，最后把结果拼成完整的量子态——好比不给全家拍合影，非要一个个单拍再拼成全家福，费时费力；光子数量稍一增加，所需数据就指数爆炸。
科学家早就发明了捷径——纠缠测量，一次测量就把纠缠态辨认出来。但几十年前攻克的只是其中一种代表性多光子纠缠态：GHZ态。另一种同样重要的纠缠态——W态，25年来既无人提出测量方案，也无人实验实现过。
京都大学与广岛大学的团队补上了这块空白。通讯作者竹内繁树说："GHZ态的纠缠测量方案提出25年多之后，我们终于也得到了W态的纠缠测量方案，并在三光子W态上做了真实的实验验证。"
团队抓住了W态的一个数学特性：循环移位对称性。简单说，光子的排列可以按循环节拍平移，而底层的关联模式保持不变。基于这一对称性，团队在理论上设计了一套光子量子电路，对W态执行量子傅里叶变换——把量子信息重新编排，让原本难以察觉的模式显现出来。理论上，这套方法适用于任意光子数的W态。
为验证理论，团队用高稳定性光学量子电路造出了一台装置：无需主动控制，就能长时间稳定运行。他们把三个单光子以恰当的偏振态送入装置，证明装置能区分不同类型的三光子W态——每一种对应三个光子之间特定的非经典关联。团队还评估了纠缠测量的保真度，即输入纯W态时得到正确结果的概率。
据《物理世界》报道，这项成果发表在《科学进展》上。竹内繁树表示："为了加速量子技术研发，深化对基本概念的理解、提出创新想法至关重要。"
纠缠测量一次测全家，远比量子层析高效。这一突破为量子隐形传态——不搬运实物、只传递量子信息的"传送"——打开了大门，还可能催生新的量子通信协议、多光子纠缠态传输方法，以及基于测量的量子计算新方案。团队下一步计划把方法推广到更多光子，并向片上光子电路小型化推进。