日本科学家用对称性揭开量子物理测量难题25年之谜

量子纠缠是量子技术的核心，却长期被一道测量难题挡在实用化大门之外。

京都大学和广岛大学的联合研究团队近日宣布，他们成功完成了对三光子W态的纠缠测量实验演示，这是量子信息领域期待已久的一项突破。

相关研究发表在国际学术期刊《科学进展》上，通讯作者、京都大学教授竹内茂感慨道："在最初关于GHZ态纠缠测量的提案提出25年多之后，我们终于实现了W态的纠缠测量。"

25年，这个时间跨度本身就说明了这道难题有多硬。

W态究竟特别在哪里

要理解这项突破，先得搞清楚量子纠缠世界里有多少种"方言"。

量子纠缠并非铁板一块。在多粒子纠缠系统中，最常被研究的两种形式是GHZ态和W态。GHZ态（格林伯格-霍恩-泽林格态）可以理解为一种"全或无"的纠缠：一旦有粒子丢失，整个纠缠系统立刻崩溃。W态则不同，它具备一种独特的韧性，即使其中一个粒子意外丢失，剩余粒子之间的纠缠仍然保持完整。

这种特性在实际量子通信系统中极为宝贵。现实中的量子网络不可避免地面临光子损耗，W态的抗干扰能力让它天然适合用于长距离量子通信和分布式量子计算。

问题在于，W态的测量一直是个难题。传统方法依赖量子断层扫描技术，需要对系统进行大量重复测量才能重建完整状态。每加入一个光子，所需的测量次数就以指数级别增长，工作量大到在工程实践中几乎不可行。纠缠测量理论上能在单次操作中直接读取完整状态，但此前科学家只在更简单的系统和GHZ态中验证过这一方法，W态始终是一道难以跨越的门槛。

一个隐藏的对称性，打开了全新路径

京都大学团队的突破，来自对W态内部一种鲜为人注意的数学结构的洞察。

研究人员发现，W态具备一种被称为"循环偏移对称性"的特性，即当系统中各光子的位置按顺序轮换时，整个量子态保持不变。这个特性并非新发现，但此前从未有人想到可以把它作为直接测量的入口。

团队由此设计了一套基于傅里叶变换的光学系统，让精心制备的光子通过一组特定光学元件构成的网络，系统在输出端捕捉光子离开的方式，从而直接识别W态的存在，无需任何大规模的重复数据收集。

实验装置的另一个亮点在于稳定性：团队搭建了一套能够长时间连续运行、无需频繁校准调整的三光子测量平台。系统在测试中成功区分了多种不同构型的W态，验证了这套方法在真实物理条件下的可靠性。

这种基于对称性的设计思路，意味着测量效率的本质性跃升，从需要指数量级测量次数，降低到单步完成识别。

从量子传送到量子网络，这项突破的应用想象空间相当宽广。量子传送依赖贝尔态测量，是量子通信网络的基本操作单元，而W态纠缠测量的实现，打通了构建更复杂、更可靠量子中继网络的关键技术环节。在分布式量子计算领域，多个量子节点之间的高效纠缠管理，正是制约系统扩展的核心瓶颈之一，W态测量方法的突破为这一方向提供了新的工具。

竹内茂指出，下一步团队将致力于把这项技术扩展至更大规模的多光子系统，并推动其向集成光子芯片形态的小型化演进，以便将技术从实验室推向实际可部署的工程应用。

量子技术的实用化之路，往往就是一道道看似不起眼的测量难题被一个个解开的过程。