量子糾纏是量子世界最奇怪的特徵之一。它描述了一種狀態，在這種狀態下，光子等粒子被緊密地束縛在一起，以至於它們的特性只能單獨被完全理解。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都必須有自己獨立的現實，而這場衝突困擾著愛因斯坦。
今天，糾纏不只是一個哲學難題。研究人員希望它是許多技術的關鍵組成部分，這些技術將定義未來，包括量子運算、量子通訊、量子隱形傳態和量子網路。
讀取量子態的挑戰
為了建構這些技術，科學家要做的不僅僅是創造複雜的情況。他們還需要可靠的方法來準確說明他們造成的情況有多複雜。
這就是問題變得複雜的地方。一種稱為量子斷層掃描的標準方法可以計算量子態，但隨著更多光子的添加，所需的測量數量呈指數增長。對於具有許多糾纏光子的系統，這會造成嚴重的瓶頸。
更強大的解決方案是糾纏測量，它可以識別單一平面中的多個糾纏態。科學家已經在 Greenberger Horne Zeilinger 或 GHZ 狀態下演示了這種類型的測量。但 W 態，另一種重要的多光子糾纏類型，卻遙不可及。在這項工作之前，尚未提出或實驗證明這種 W 態測量。
科學家瞄準難以捉摸的W態
來自京都大學和廣島大學的一個團隊著手修復這個缺失的部分。他們的工作提出了一種進行糾纏測量的方法，可以識別 W 態，並透過使用三個光子的實驗證明。
「在最初提出 GHZ 態糾纏測量的 25 年多之後，我們終於實現了 W 態的糾纏測量，並提供了 3 光子 W 態的實際實驗證據，」主要作者 Shigeki Takeuchi 說。
這項突破集中在 W 態的一個獨特性質上，即循環位移對稱性。利用這個特性，研究人員提出了一個光子量子電路，可以對包含任何光子的 W 態執行量子傅立葉變換。實際上，這使他們能夠將 W 狀態的隱藏結構轉換為可測量的訊號。
輕量穩定裝置
為了測試這個想法，團隊使用高度穩定的光學量子電路來建構了一個三光子裝置。該系統能夠在沒有主動控制的情況下長時間運行，這是未來量子技術的一個重要特徵，因為量子技術無法在脆弱的實驗室設置中不斷調整。
研究人員將三個單光子以精心選擇的偏振態注入設備中。然後裝置分離出三種不同類型的光子 W 態。這些狀態中的每一個都代表三個入射光子之間的特定非經典相關性。
該團隊還評估了複雜測量的保真度。在這種情況下，保真度是指輸入狀態W為空時設備產生正確結果的機率。
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。它還可能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，加深對基本概念的理解以產生創新想法至關重要，」竹內說。
這項工作是更廣泛推動量子通訊和光子量子系統從精緻的實驗室演示到更具可擴展性的平台的一部分。自2025年W態研究以來，該領域相關進展不斷。到 2025 年底，研究人員已經在混合城市網路中使用來自不同量子點的光子演示了所有光子量子隱形傳態。 2026 年，另一個團隊報告了一種整合光子晶片，能夠在單一設備中創建、操縱和測量多粒子簇狀態糾纏。這些結果並不是 W 態實驗的直接延伸，但它們顯示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，研究人員沿著紐約現有的光纖電纜測試了一個三節點量子網絡，使用糾纏交換將量子鏈路連接成一個小型網路。這種進展凸顯了對精確的長期糾纏測量的需求，因為未來的量子網路將取決於創建、路由、驗證和傳輸脆弱量子態的能力。
邁向更大的量子系統
來自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情況。他們也致力於開發用於複雜測量的片上量子光子電路。
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。對於建立在糾纏之上的技術來說，這將代表著向未來系統邁出的重要一步，未來系統可以透過電腦和網路可靠地傳輸量子資訊。
