量子糾纏是量子世界最奇怪的特徵之一。它描述了一種情況，其中光子等粒子緊密相連，以至於無法單獨完全理解它們的特性。相反，系統應該被視為一個整體。這個想法與經典觀點形成鮮明對比，經典觀點認為每個粒子必須具有自己獨立的現實。眾所周知，這個矛盾困擾著愛因斯坦。
今天，糾纏不只是一個哲學難題。這是研究人員希望定義未來的許多技術的關鍵組成部分，包括量子計算、量子通訊、量子隱形傳態和量子網路。
解讀量子態的困難
為了創造這些技術，科學家需要做的不只是創造糾纏態。他們也需要可靠的方法來準確判斷他們造成了什麼樣的糾纏。
這就是問題變得困難的地方。一種稱為量子斷層掃描的標準方法可以估計量子態，但隨著更多光子的添加，所需的測量數量迅速增加。對於由大量糾纏光子組成的系統，這會造成嚴重的瓶頸。
更強大的解決方案是可以立即識別特定糾纏態的糾纏度量。科學家已經在 Greenberger Horne Zeilinger（GHZ）州演示了這種類型的測量。但另一種重要的多光子糾纏類型，W 態，仍然難以接近。在這項研究之前，尚未針對 W 態提出或實驗證明這種測量方法。
科學家致力於解決 W 難題
來自京都大學和廣島大學的一個團隊著手解決這個缺失的部分。他們的工作提出了一種執行糾纏測量的方法，該方法可以透過使用三個光子的實驗演示來識別 W 態。
「在首次提出 GHZ 態的糾纏測量超過 25 年之後，透過對 3 光子 W 態的真實實驗演示，我們最終也實現了 W 態的糾纏測量，」通訊作者 Shigeki Takeuchi 說道。
這項突破是透過關注 W 態的一種特殊性質（稱為循環移位對稱性）來實現的。利用這個特性，研究人員提出了一個光子量子電路，可以對任意數量光子的 W 態進行量子傅立葉變換。實際上，這為他們提供了一種將 W 態的潛在結構轉換為可測量訊號的方法。
由光製成的堅固設備
為了測試這個想法，團隊開發了一種使用高度穩定的光學量子電路的三光子設備。該系統能夠在沒有主動控制的情況下長時間運作；這是未來量子技術的一個重要特徵，未來量子技術不能依賴精確的、不斷調整的實驗室設定。
研究人員將三個單光子以精心選擇的偏振態引入設備中。然後該設備區分了三種不同類型的光子 W 狀態。這些情況中的每一個都代表了三個入射光子之間的特定的、非經典的相關性。
該團隊還評估了糾纏測量的準確性。這種情況下的保真度是指當輸入是純W狀態時設備給出正確結果的機率。
為什麼量子技術很重要？
這項成就可能有助於推進量子隱形傳態，這涉及到傳輸量子訊息而不是將物質從一個地方移動到另一個地方。它還可以支援新的量子通訊協定、多光子糾纏態的傳輸以及基於測量的量子計算的新方法。
「為了加速量子技術的研究和開發，加深我們對產生創新想法的基本概念的理解至關重要，」竹內說。
這項工作適合將量子通訊和光子量子系統從敏感的實驗室演示轉移到更具可擴展性的平台的更廣泛的努力。自2025年W州研究以來，該領域的相關進展不斷。 2025 年末，研究人員在混合城市網路中使用來自不同量子點的光子演示了全光子量子隱形傳態。 2026年另一支球隊 報道 一種整合光子晶片，可以在單一裝置中產生、操縱和測量多部分簇態糾纏。這些結果並不是 W 態實驗的直接延伸，但它們說明了為什麼更好地控制和測量複雜的糾纏如此重要。
量子網路也正在進入現實世界的基礎設施。 2026年 研究人員測試了三節點量子網絡 使用糾纏交換將量子鏈路連接到紐約現有光纖電纜的小型網路中。這些進展強調了對精確糾纏測量的長期需求，因為未來的量子網路將取決於創建、操縱、驗證和轉移脆弱量子態的能力。
邁向更大的量子系統
京都大學和廣島大學的團隊現在計劃將他們的方法擴展到更大、更普遍的多光子糾纏態。他們也致力於開發用於糾纏測量的片上光子量子電路。
如果這項努力成功，讀取複雜量子態的能力可能會變得更快、更小、更實用。對於基於糾纏的技術來說，這將是邁向能夠透過未來電腦和網路可靠傳輸量子資訊的系統的重要一步。
