Исследователи из университета Иллинойса и других научных учреждений впервые создали состояние квантовой запутанности, в котором задействовано три фотона. В этом не было бы ничего удивительного, если бы это состояние не было уникальной специальной комбинацией, называемой W-состоянием, при котором потеря одного из трех фотонов не приводит к нарушению запутанности. Такие экзотические квантовые состояния являются весьма полезной вещью для технологий квантовых коммуникаций, вычислений, измерений и новых экспериментов в области классической и квантовой физики.
Еще одной уникальной чертой выполненной работы является то, что параметром, по которому были запутаны фотон, является их цвет (заключенная в них энергия). Отметим, что во время предыдущих подобных экспериментов в качестве "запутываемого параметра" выступала поляризация фотонов. Однако, энергия фотонов не может быть изменена простыми способами и случайным внешним воздействием, что уменьшаем вероятность возникновения ошибок при распространении фотонов, находящихся в W-состоянии, на большие расстояния.
Для того, чтобы создать W-состояние, исследователи использовали свет нескольких лазеров и стеклянное оптическое волокно. Используя один из способов смешивания волн, в котором задействованы четыре фотона, исследователи получили две пары фотонов разного цвета (к примеру, пару зеленых и пару красных фотонов). Затем эти пары фотонов были использованы для создания W-состояния с тремя фотонами. В устройстве, создающем это состояние, один из зеленых фотонов поглощался детектором, а оставшиеся три переходили в состояние квантовой запутанности, которое состоит одновременно из всех возможных комбинаций чередования одного зеленого и двух красных фотонов.
"Это состояние можно описать как три светофора, которые одновременно высвечивают все три возможных сигнала, постоянно меняя комбинацию. W-состояние - это комбинация двух красных и одного зеленого фотона, но их чередование в комбинации остается неизвестной величиной, согласно законам квантовой механики, пока мы не произведем измерения" - пишут исследователи.
По сравнению с другими видами квантовой запутанности, в которых задействованы три частицы, W-состояние полезно для квантовых вычислений и коммуникаций тем, что если один из фотонов теряется, то оставшиеся два сохраняют квантовую запутанность и могут продолжать выполнять их функции.
И в заключение следует отметить, что данная работа стала еще одним подтверждением существования экзотического W-состояния квантовой запутанности. Более того, данную технологию можно будет использовать и на практике, благодаря тому, что ученым удалось сначала разработать в теории, а затем и реализовать на практике новый простой метод, заменяющий традиционные сложные способы преобразования энергии (цвета) фотонов.
