摘要：经过25年的科学探索，京都大学和广岛大学的研究团队终于成功开发出识别W态量子纠缠的测量方法，这一突破性成果为量子隐形传态和量子计算领域开辟了全新的技术路径。这项研究不仅解决了困扰物理学界数十年的技术难题，更为实现大规模量子技术应用奠定了重要基础。

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250912195122.htm

经过25年的科学探索，京都大学和广岛大学的研究团队终于成功开发出识别W态量子纠缠的测量方法，这一突破性成果为量子隐形传态和量子计算领域开辟了全新的技术路径。这项研究不仅解决了困扰物理学界数十年的技术难题，更为实现大规模量子技术应用奠定了重要基础。

W态作为多光子量子纠缠的代表性状态之一，其测量方法的缺失长期制约着量子技术的发展。与已经实现纠缠测量的Greenberg-Horne-Zeilinger（GHZ）态相比，W态的复杂性使得科学家们在过去几十年中始终无法找到有效的识别方案。如今，这一科学瓶颈的突破标志着量子物理学研究进入了新的发展阶段。

量子纠缠的核心挑战

实现W态的纠缠测量。图片来源：京都大学/竹内实验室

量子纠缠现象代表着经典物理学与量子物理学之间的根本差异。在这种状态下，多个粒子形成了一个不可分割的整体，无法单独描述每个光子的物理特性。这一违背经典直觉的现象曾让爱因斯坦深感困扰，他形象地将其描述为"幽灵般的远距离作用"。

在量子技术的实际应用中，科学家们需要能够自由生成多光子量子纠缠态，并准确识别存在的纠缠类型。然而，传统的量子断层扫描方法面临着严重的扩展性问题：随着光子数量的增加，所需的测量次数呈指数级增长，这在实际应用中造成了巨大的数据收集和处理负担。

纠缠测量技术的出现为解决这一难题提供了希望。这种方法能够通过一次性测量直接识别纠缠状态，大大提高了效率。虽然科学家们已经成功实现了对GHZ态的纠缠测量，但对于同样重要的W态，相关的理论和实验方法一直付之阙如。

技术突破的关键创新

京都大学竹内实验室的研究团队在通讯作者竹内繁树教授的带领下，专注于W态循环位移对称性的独特特征，创造性地提出了基于光子量子电路的纠缠测量方案。他们的核心创新在于利用量子傅里叶变换技术，设计出能够处理任意数量光子W态的测量电路。

研究团队开发的实验装置采用了高稳定性光量子电路设计，这一技术特点使得设备能够在无需主动控制的情况下长时间稳定运行。这种设计不仅提高了实验的可靠性，也为未来的实际应用奠定了基础。

在实验验证阶段，研究人员将三个具有适当偏振态的单光子输入到设备中，成功证明了该装置能够区分不同类型的三光子W态。每种W态都对应着三个输入光子之间特定的非经典相关性，这种精确的识别能力为量子信息处理提供了重要的技术支撑。

通过严格的实验测试，研究团队评估了纠缠测量的保真度，即获得纯W态输入时得到正确结果的概率。实验数据表明，这一创新方法在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。

广阔的应用前景

这项突破性成果的意义远远超出了理论研究的范畴。W态纠缠测量技术的实现为量子隐形传态开辟了新的可能性，使得量子信息的远距离传输变得更加高效和可靠。在量子通信领域，这一技术有望催生新的通信协议，实现多光子量子纠缠态的安全传输。

基于测量的量子计算是另一个重要的应用方向。与传统的量子计算方法相比，这种新的计算范式可能提供更加灵活和强大的计算能力。W态纠缠测量技术的成熟将为这一领域的发展提供关键的技术支撑。

在量子网络构建方面，W态的特殊性质使其在多节点量子通信中具有独特优势。与GHZ态不同，W态在部分光子丢失的情况下仍能保持一定的纠缠特性，这一特点对于构建稳定的量子网络具有重要价值。

未来发展方向

研究团队已经制定了雄心勃勃的后续研究计划。他们的目标是将这一方法扩展到更大规模、更通用的多光子量子纠缠态测量中。随着光子数量的增加，系统的复杂性将显著提升，但同时也将带来更强大的功能和更广泛的应用可能性。

片上光子量子电路的开发是另一个重要的研究方向。通过将复杂的光学系统集成到芯片级器件中，科学家们希望实现更加紧凑、稳定和成本效益的量子设备。这一技术发展对于量子技术的商业化应用具有重要意义。

竹内教授强调了基础研究对于量子技术发展的重要性："为了加速量子技术的研究和开发，加深我们对基本概念的理解以提出创新想法至关重要。"这一观点反映了科学界对于在追求实际应用的同时不忘基础理论探索的共识。

从更宏观的角度来看，这项研究成果体现了日本在量子科技领域的强劲实力。作为全球量子技术竞争的重要参与者，日本通过持续的基础研究投入和技术创新，在这一战略性新兴领域占据了重要地位。

这一突破性成果的实现不仅标志着W态量子纠缠测量技术的成熟，更为整个量子科技领域的发展注入了新的活力。随着相关技术的不断完善和应用场景的拓展，我们有理由相信，量子技术将在不远的未来为人类社会带来革命性的变化。

来源：人工智能学家