Ένα σημαντικό επίτευγμα από ερευνητές του Kyoto University και του Hiroshima University υπόσχεται να φέρει την κβαντική τεχνολογία πιο κοντά στην πραγματικότητα. Για πρώτη φορά, επιστήμονες κατάφεραν να ταυτοποιήσουν πειραματικά τη μυστηριώδη W state, μια μορφή κβαντικής εμπλοκής που είχε μείνει άλυτη για δεκαετίες. Το επίτευγμα αυτό ανοίγει νέους ορίζοντες για την κβαντική τηλεμεταφορά, την ασφάλεια επικοινωνιών και τις μεθόδους υπολογισμού του μέλλοντος.
Η κβαντική εμπλοκή είναι ένα από τα πιο χαρακτηριστικά φαινόμενα που ξεχωρίζουν τη φυσική του μικρόκοσμου από την κλασική φυσική. Σε μια τέτοια κατάσταση, δύο ή περισσότερα φωτόνια δεν μπορούν να περιγραφούν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Η κατάσταση τους είναι αλληλένδετη με τρόπους που προκαλούν ακόμη και σήμερα εντυπωσιασμό, αλλά και ανησυχία, όπως είχε εκφράσει ο ίδιος ο Einstein. Παρά τον «παράδοξο» χαρακτήρα του, αυτό το φαινόμενο θεωρείται το θεμέλιο για την ανάπτυξη ισχυρών κβαντικών τεχνολογιών.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες γνώριζαν πως για να αξιοποιήσουν πρακτικά την εμπλοκή θα πρέπει όχι μόνο να μπορούν να δημιουργούν πολυφωτονικές καταστάσεις, αλλά και να τις αναγνωρίζουν με ακρίβεια. Οι κλασικές τεχνικές, όπως η κβαντική τομογραφία, απαιτούν τεράστιο όγκο μετρήσεων που αυξάνεται εκθετικά όσο μεγαλώνει ο αριθμός των φωτονίων. Αυτό καθιστούσε αδύνατη τη γρήγορη και αποδοτική ανάλυση τέτοιων καταστάσεων σε πραγματικές συνθήκες.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι λεγόμενες «συμπλεγμένες μετρήσεις» μπορούν να ταυτοποιήσουν μια εμπλεκόμενη κατάσταση σε μία μόνο μέτρηση. Μια τέτοια τεχνική είχε αναπτυχθεί για την GHZ κατάσταση, όμως για το W state, την άλλη βασική πολυφωτονική εμπλοκή, καμία θεωρητική ή πειραματική μέθοδος δεν είχε προταθεί μέχρι τώρα. Αυτό ακριβώς αποτέλεσε το κίνητρο για την ιαπωνική ερευνητική ομάδα.
Ο Shigeki Takeuchi, επικεφαλής της ομάδας στο Kyoto University, δήλωσε ότι περισσότερα από 25 χρόνια μετά την πρώτη θεωρητική πρόταση για τις GHZ μετρήσεις, η επιστημονική κοινότητα διαθέτει πλέον και την αντίστοιχη μέθοδο για το W state. Η ομάδα όχι μόνο πρότεινε θεωρητικά μια λύση, αλλά την απέδειξε και πειραματικά σε τριφωτονικές καταστάσεις.
Η καινοτομία βασίστηκε στην κυκλική συμμετρία του W state. Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα κβαντικό φωτονικό κύκλωμα που πραγματοποιεί κβαντικό μετασχηματισμό Fourier, ικανό να αναγνωρίσει W states ανεξαρτήτως αριθμού φωτονίων. Για να το αποδείξουν, δημιούργησαν μια διάταξη υψηλής σταθερότητας, η οποία μπορούσε να λειτουργεί χωρίς ενεργό έλεγχο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εισάγοντας τρία φωτόνια με κατάλληλες πολώσεις, το κύκλωμα μπόρεσε να ξεχωρίσει διαφορετικούς τύπους W states, με την πιστότητα της μέτρησης να αντανακλά την πιθανότητα σωστής ταυτοποίησης.
Η σημασία της επιτυχίας είναι τεράστια. Η ταυτοποίηση του W state αποτελεί το πρώτο βήμα για την κβαντική τηλεμεταφορά, δηλαδή τη μεταφορά πληροφορίας με τρόπο που δεν περιορίζεται από κλασικά δίκτυα. Παράλληλα, δημιουργεί προϋποθέσεις για νέες μεθόδους κβαντικής επικοινωνίας με υψηλή ασφάλεια, αλλά και για πρωτοποριακές τεχνικές κβαντικού υπολογισμού που βασίζονται σε μετρήσεις.
Όπως τόνισε ο Takeuchi, η πρόοδος στις κβαντικές τεχνολογίες απαιτεί βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών εννοιών. Η μελέτη τέτοιων καταστάσεων δεν είναι απλώς θεωρητική πρόκληση, αλλά η βάση για ιδέες που μπορούν να αλλάξουν ριζικά τον τρόπο που επικοινωνούμε και υπολογίζουμε.
Τα επόμενα βήματα της ομάδας περιλαμβάνουν την εφαρμογή της μεθόδου σε πιο σύνθετες πολυφωτονικές καταστάσεις και την ανάπτυξη ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων πάνω σε chip, τα οποία θα μπορούν να πραγματοποιούν μετρήσεις εμπλοκής σε πρακτική κλίμακα. Αν η πορεία αυτή αποδώσει, οι εφαρμογές θα μπορούσαν να φτάσουν από τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών μέχρι τα μελλοντικά κβαντικά υπολογιστικά κέντρα.
[via]
