درهم‌تنیدگی کوانتومی یکی از گیج‌کننده‌ترین شکاف‌های شناختی بین حوزه کوانتومی و جهان ماکروسکوپی است.
وقتی ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها درهم‌تنیده می‌شوند، هویت کوانتومی مشترکی دارند و نمی‌توان آن‌ها را به عنوان موجودات مستقل توصیف کرد؛ آن‌ها در حالت برهم‌نهی (superposition) وجود دارند و تا زمانی که حداقل یکی از آن‌ها اندازه‌گیری نشود، وضعیت ثابتی ندارند.
این پدیده فراتر از فاصله فیزیکی است، بنابراین پرتاب سکه درهم‌تنیده کوانتومی در زمین، نتیجه‌ای آنی و متناسب را در مریخ تولید می‌کند.
البته، این نتایج تصادفی هستند و هیچ اطلاعاتی را منتقل نمی‌کنند، که امیدها برای ارتباطات سریع‌تر از نور یا یک حلقه تقلب پیچیده پرتاب سکه بین زمینی-مریخی را ناامید می‌کند.
با این حال، درهم‌تنیدگی برای فناوری‌های اطلاعات کوانتومی حیاتی است؛ فقط باید تعداد ذرات درهم‌تنیده و توانایی خود را برای اندازه‌گیری این سیستم‌ها افزایش دهیم.
به همین منظور، فیزیکدانانی از دانشگاه کیوتو و دانشگاه هیروشیما در مطالعه‌ای شاخص که پیکربندی حالت‌های درهم‌تنیده چندذره‌ای را با شروع از سه فوتون تعیین کرد، ما را یک یا چند قدم به آینده کوانتومی نزدیک‌مان کشاندند.
در مقاله آن‌ها که در سپتامبر ۲۰۲۵ در Science Advances منتشر شد، فیزیکدانان سرانجام تکنیک جدیدی برای انجام اندازه‌گیری‌های نوع درهم‌تنیدگی موسوم به «حالت W» گزارش کردند.
قبلاً، دانشمندان حالت‌های گرینبرگر-هورن-زایلینگر (GHZ) را اندازه‌گیری می‌کردند؛ طعم «بستنی وانیلی» معروف و بنیادی سیستم‌های درهم‌تنیده چندذره‌ای.
«بیش از ۲۵ سال پس از پیشنهاد اولیه مربوط به اندازه‌گیری درهم‌تنیده برای حالت‌های GHZ، ما سرانجام اندازه‌گیری درهم‌تنیده را برای حالت W نیز به دست آوردیم، همراه با نمایش آزمایشی واقعی برای حالت‌های W سه‌فوتونی»، شینگکی تاکوچی، پژوهشگر اطلاعات کوانتومی، توضیح می‌دهد.
اما «خمیر کوکی چیپس شکلاتی» درهم‌تنیدگی‌های حالت W، پیچیدگی بیشتری دارد و ویژگی جالبی متفاوت از حالت‌های GHZ ارائه می‌دهد. در حالت‌های W، اگر یکی از ذرات درهم‌تنیده را از دست بدهید، ذرات باقی‌مانده حالت درهم‌تنیده مفید خود را حفظ می‌کنند.
مهم این است که درهم‌تنیدگی ذرات اغلب با تکنیکی به نام توموگرافی کوانتومی اندازه‌گیری می‌شود. این روش شبیه به توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس عمل می‌کند که رازهای اسکلت بدن ما را آشکار می‌سازد.
این روش شامل گرفتن بسیاری از اندازه‌گیری‌ها و سپس کنار هم قرار دادن این «برش‌ها» برای تشکیل یک تصویر منسجم است.
اما این کار می‌تواند ناکارآمد و دشوار باشد و دو گلوگاه عملی ایجاد کند.
اول، دانشمندان باید بسیاری از سیستم‌های درهم‌تنیده یکسان ایجاد کنند، زیرا اندازه‌گیری (مشاهده) خواص آن‌ها، آن‌ها را از حالت درهم‌تنیده خارج می‌کند.
دوم، اندازه‌گیری‌های مورد نیاز برای بازسازی یک حالت درهم‌تنیده با افزایش تعداد ذرات درهم‌تنیده، به صورت نمایی بالا می‌رود.
پژوهشگران موفق شدند با یک اندازه‌گیری تک‌مرحله‌ای که کل سیستم درهم‌تنیده را در یک مرحله تعیین می‌کرد، از این مسائل اجتناب کنند.
آن‌ها این کار را با استفاده از دستگاه مدار نوری تبدیل فوریه گسسته (DFT) ساخت خود انجام دادند که به عنوان یک تداخل‌سنج پیشرفته عمل می‌کرد.
به عبارت دیگر، آن‌ها سه فوتون با قطبش مشخص را به این دستگاه تزریق کردند، که آن‌ها را در مسیرهای مختلف جدا کرد و سپس دوباره به سمت یکدیگر هدایت نمود تا ببینند چگونه قله‌ها و دره‌های توابع موجی آن‌ها هم‌راستا می‌شوند، چه ترکیب شوند و چه یکدیگر را خنثی کنند.
این امر به پژوهشگران اجازه داد تقارن «انتقال چرخشی» حالت W را بررسی کنند، که شبیه به اثر انگشت یک سیستم بر اساس تقارن خواص کوانتومی آن است.
بخش «انتقال چرخشی» به این معناست که توصیف ساختاری سیستم درهم‌تنیده زمانی تغییر نمی‌کند که فوتون‌های فردی آن به صورت چرخشی جابه‌جا شوند.
تصور کنید گروهی از افراد دور یک آتش کمپ نشسته‌اند. ناگهان، هر کدام از آن‌ها بلند می‌شوند و یک صندلی به چپ جابه‌جا می‌شوند (چه کسی می‌داند چرا، شاید آن‌ها بخشی از یک ذهن جمعی اسرارآمیز شبیه به بورگ‌ها باشند که هنوز شیفتگی اجدادی خود نسبت به شعله‌ها را از دست نداده است).
در نتیجه، دایره بورگ که به صورت چرخشی جابه‌جا شده، ظاهری یکسان دارد.
و بدین ترتیب، پژوهشگران دقت تفکیک اندازه‌گیری میانگین (MDF) برابر با ۰.۸۷۱ ± ۰.۰۳۹ را آشکار کردند.
آن‌ها در ۸۷ درصد موارد، شرط حالت W را به درستی شناسایی کردند که با راحتی از آستانه ریاضی ۶۶.۷ درصد (دو سوم) برای اثبات دستیابی به اندازه‌گیری درهم‌تنیده سه‌ذره‌ای عبور می‌کند و بدین ترتیب اثربخشی روش‌شناسی آن‌ها را ثابت می‌کند.
چرا ۱۰۰ درصد نیست؟
تیم این کاستی را به نقص‌های آماده‌سازی فوتون و خود چیدمان اندازه‌گیری نسبت می‌دهد.
«ما معتقدیم که این نتایج نماینده یک نقطه عطف مهم به سمت کاربرد گسترده‌تر اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده چند-کیوبیتی در رایانش کوانتومی فوتونی، ارتباطات کوانتومی و حسگری است»، پژوهشگران می‌نویسند.
بنابراین، این کار دری را باز می‌کند – امیدواریم نه یک در کوانتومی که همزمان باز و بسته باشد، یعنی انگشت پای کوچک شرودینگر – برای کاربردهای کوانتومی در رایانش و رمزنگاری.
تیم اکنون برنامه دارد مدارهای فوتونی کوانتومی روی تراشه را برای این اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده توسعه دهد.
با توجه به دهانه باز فناوری رایانش کوانتومی، این پیشرفت‌ها می‌توانند گرد هم بیایند تا تحقیقات دارویی نجات‌بخش زندگی یا استراتژی‌های مراقبت بهداشتی شخصی‌سازی شده را بهبود بخشند.
آن‌ها همچنین می‌توانند حساب‌های امتیازی پیتزا هات ما را امن‌تر از همیشه کنند – مگر اینکه یک هکر گرسنه پیتزا نیز به رایانش کوانتومی دسترسی داشته باشد.
این تحقیق در Science Advances منتشر شده است.