25年難題破解：日本物理學家首次測出"另一種"量子糾纏
量子糾纏是量子計算、量子密碼等技術的根基，但糾纏態極難操控。物理學家常用量子層析來測量糾纏粒子：先製備大量相同的粒子副本，再逐個從不同角度測量，最後把結果拼成完整的量子態——好比不給全家拍合影，非要一個個單拍再拼成全家福，費時費力；光子數量稍一增加，所需數據就指數爆炸。
科學家早就發明了捷徑——糾纏測量，一次測量就把糾纏態辨認出來。但幾十年前攻克的只是其中一種代表性多光子糾纏態：GHZ態。另一種同樣重要的糾纏態——W態，25年來既無人提出測量方案，也無人實驗實現過。
京都大學與廣島大學的團隊補上了這塊空白。通訊作者竹內繁樹說："GHZ態的糾纏測量方案提出25年多之後，我們終於也得到了W態的糾纏測量方案，並在三光子W態上做了真實的實驗驗證。"
團隊抓住了W態的一個數學特性：循環移位對稱性。簡單說，光子的排列可以按循環節拍平移，而底層的關聯模式保持不變。基於這一對稱性，團隊在理論上設計了一套光子量子電路，對W態執行量子傅里葉變換——把量子信息重新編排，讓原本難以察覺的模式顯現出來。理論上，這套方法適用於任意光子數的W態。
爲驗證理論，團隊用高穩定性光學量子電路造出了一臺裝置：無需主動控制，就能長時間穩定運行。他們把三個單光子以恰當的偏振態送入裝置，證明裝置能區分不同類型的三光子W態——每一種對應三個光子之間特定的非經典關聯。團隊還評估了糾纏測量的保真度，即輸入純W態時得到正確結果的概率。
據《物理世界》報道，這項成果發表在《科學進展》上。竹內繁樹表示："爲了加速量子技術研發，深化對基本概念的理解、提出創新想法至關重要。"
糾纏測量一次測全家，遠比量子層析高效。這一突破爲量子隱形傳態——不搬運實物、只傳遞量子信息的"傳送"——打開了大門，還可能催生新的量子通信協議、多光子糾纏態傳輸方法，以及基於測量的量子計算新方案。團隊下一步計劃把方法推廣到更多光子，並向片上光子電路小型化推進。