درهم تنیدگی کوانتومی یکی از عجیب ترین تفاوت های فیزیک روزمره و دنیای کوانتومی را به تصویر می کشد. در یک سیستم درهم تنیده، ذراتی مانند فوتون‌ها به قدری عمیق به هم متصل می‌شوند که نمی‌توان ویژگی‌های آنها را به‌طور مستقل به طور کامل توصیف کرد. در عوض، سیستم باید به عنوان یک کل در نظر گرفته شود.
این ایده در مواجهه با این انتظار کلاسیک است که هر ذره باید واقعیت فیزیکی متمایز خود را داشته باشد، ویژگی مکانیک کوانتومی که آلبرت انیشتین را به دردسر انداخت. با این حال، درهم تنیدگی در حال حاضر یکی از عناصر کلیدی برای فناوری‌های کوانتومی نوظهور، از جمله ارتباطات پیشرفته، محاسبات و انتقال اطلاعات در نظر گرفته می‌شود.
چالش اندازه گیری درهم تنیدگی کوانتومی
ساخت این فناوری‌ها نه تنها به دانشمندان نیاز دارد که حالت‌های درهم‌تنیده چند فوتونی را ایجاد کنند، بلکه باید به طور موثر تعیین کنند که کدام نوع حالت درهم‌تنیده را تولید کرده‌اند.
یک رویکرد استاندارد این است توموگرافی کوانتومی، تکنیکی است که برای بازسازی و تخمین یک حالت کوانتومی با انجام اندازه گیری های زیاد استفاده می شود. مشکل این است که با اضافه شدن فوتون های بیشتر، مقدار داده های مورد نیاز به طور تصاعدی افزایش می یابد. بنابراین، سیستمی که فقط شامل افزایش متوسطی در تعداد فوتون ها باشد، ممکن است به اندازه گیری های بسیار بیشتری نیاز داشته باشد.
ان اندازه گیری پیچیده یک جایگزین بالقوه بسیار مؤثرتر ارائه می دهد. این نوع اندازه گیری به جای جمع آوری مجموعه بزرگی از اندازه گیری ها و بازسازی حالت پس از آن، می تواند یک حالت درهم تنیده را با استفاده از رویکرد یک شات شناسایی کند.
دانشمندان قبلاً چنین اندازه گیری را برای گرینبرگر-هورن-زیلینگر — گیگاهرتز – حالت، یکی از شناخته شده ترین اشکال درهم تنیدگی چند فوتونی. اما هیچ روش قابل مقایسه ای برای آن پیشنهاد یا به صورت تجربی نشان داده نشده است حالت W، نوع مهم دیگری از حالت چند فوتونی درهم تنیده.
محققان دانشگاه کیوتو و دانشگاه هیروشیما تصمیم گرفتند این توانایی از دست رفته را برطرف کنند. کار آنها منجر به روش جدیدی برای انجام یک اندازه گیری درهم تنیده شد که می تواند حالت W را شناسایی کند.
شیگکی تاکوچی، نویسنده مربوطه، می‌گوید: «بیش از 25 سال پس از پیشنهاد اولیه اندازه‌گیری درهم‌تنیده برای حالت‌های گیگاهرتز، ما نهایتاً اندازه‌گیری درهم تنیده را برای حالت W نیز با یک نمایش تجربی واقعی برای حالت‌های 3 فوتون W به دست آوردیم».
استفاده از تقارن برای شناسایی حالت W
محققان رویکرد خود را حول یک ویژگی ریاضی از حالت W که به نام شناخته می شود، ایجاد کردند تقارن جابجایی چرخه ای. به زبان ساده، آرایش فوتون‌ها را می‌توان در یک چرخه تکراری تغییر داد و در عین حال یک الگوی اساسی مهم را حفظ کرد.
با استفاده از این تقارن، تیم از نظر تئوری یک اندازه گیری درهم تنیده بر اساس مدار کوانتومی فوتونیک ایجاد کردند. مدار یک کوانت را انجام می دهد تبدیل فوریه، یک عملیات ریاضی که می تواند اطلاعات کوانتومی را به گونه ای سازماندهی مجدد کند که الگوهای غیر قابل تشخیص را نشان دهد. روش پیشنهادی آنها در اصل می تواند برای حالت های W که دارای تعداد دلخواه فوتون هستند، اعمال شود.
سپس محققان دستگاهی برای آزمایش این ایده با سه فوتون ساختند. آنها از مدارهای کوانتومی نوری بسیار پایدار استفاده کردند که می توانستند برای مدت طولانی بدون نیاز به کنترل فعال به کار خود ادامه دهند.
محققان با ارسال سه فوتون مجزا به داخل دستگاه با حالت‌های قطبی شدن با دقت انتخاب شده نشان دادند که این سیستم می‌تواند بین انواع مختلف حالت‌های W سه فوتونی تمایز قائل شود. هر یک از این حالت ها نشان دهنده یک همبستگی غیر کلاسیک خاص است که توسط سه فوتون ورودی مشترک است.
این تیم همچنین دقت اندازه گیری درهم تنیده را اندازه گیری کردند. دقت نشان می دهد که یک سیستم کوانتومی تا چه حد وظیفه مورد نظر خود را با اطمینان انجام می دهد. در این مورد، این با احتمالی مطابقت دارد که دستگاه خروجی صحیحی را هنگام دریافت یک ورودی حالت W خالص تولید کند.
ابزاری جدید برای تله پورت کوانتومی
این پیشرفت می تواند پیامدهایی برای چندین حوزه از فناوری کوانتومی داشته باشد.
یکی است تله پورت کوانتومی، فرآیندی که اطلاعات کوانتومی را از مکانی به مکان دیگر منتقل می کند. علیرغم نامش، تله پورت کوانتومی از نظر فیزیکی مواد را منتقل نمی کند. در عوض، از درهم تنیدگی برای انتقال حالت کوانتومی که حاوی اطلاعات است استفاده می کند.
رویکرد اندازه‌گیری جدید ممکن است به پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی جدید، روش‌هایی برای انتقال حالت‌های درهم‌تنیده کوانتومی چند فوتونی و اشکال جدید محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری کمک کند.
تاکوچی می‌گوید: «برای تسریع در تحقیق و توسعه فناوری‌های کوانتومی، عمیق‌تر کردن درک خود از مفاهیم زیربنایی به منظور ارائه ایده‌های نوآورانه بسیار مهم است.
مقیاس کردن تکنیک به سیستم های کوانتومی بزرگتر
اکنون محققان قصد دارند رویکرد خود را فراتر از نمایش سه فوتونی گسترش دهند.
هدف بلندمدت آنها استفاده از این روش برای حالت های درهم تنیده کوانتومی چند فوتونی با مقیاس بزرگتر و عمومی تر است. این تیم همچنین قصد دارد مدارهای کوانتومی فوتونیکی را بر روی یک تراشه که قادر به انجام اندازه‌گیری‌های درهم تنیده است، توسعه دهد که به طور بالقوه این فناوری را فشرده‌تر و ادغام آن در سیستم‌های کوانتومی آینده را آسان‌تر می‌کند.
