量子糾纏是量子世界中最奇特的現象之一。它描述了粒子（如光子）之間一種深刻的連結，以至於無法單獨理解它們的性質，必須將整個系統視為一個整體。這個概念與經典物理學中每個粒子都應擁有獨立實在性的觀點截然不同，而這也是愛因斯坦著名的困擾。

如今，糾纏不僅是一個哲學難題，更是研究人員寄望定義未來的多項關鍵技術的組成部分，包括量子運算、量子通訊、量子傳輸和量子網路。

讀取量子態的挑戰

要建構這些技術，科學家不僅需要創造糾纏態，還需要可靠的方法來精確辨識他們所創造的糾纏態類型。

這正是問題的難點所在。一種稱為量子層析術的標準方法可以估計量子態，但隨著光子數量的增加，所需的測量次數會呈指數級增長。對於由多個糾纏光子組成的系統，這造成了嚴重的瓶頸。

一個更強大的解決方案將是糾纏測量，它可以在單次操作中識別特定的糾纏態。科學家們已經為Greenberger Horne Zeilinger（GHZ）態展示了這種測量方法。然而，另一種主要的複合光子糾纏類型——W態，卻一直難以實現。在此之前，尚未有人提出或實驗證明過針對W態的此類測量。

科學家鎖定難以捉摸的W態

來自京都大學和廣島大學的一個團隊著手解決這個缺失的一環。他們開發出一種執行糾纏測量的方法，能夠識別W態，並透過三光子實驗進行了驗證。

通訊作者Shigeki Takeuchi表示：「在最初提出GHZ態的糾纏測量方法二十五年後，我們終於也獲得了W態的糾纏測量方法，並對三光子W態進行了真正的實驗驗證。」

這項突破來自於專注於W態的「循環移位對稱性」這一特殊性質。利用這個特性，研究人員提出了一種光子量子電路，能夠對任意數量的光子W態執行量子傅立葉變換。實際上，這為他們提供了一種將W態的隱藏結構轉化為可測量訊號的方法。

為了測試這個想法，該團隊使用高度穩定的光學量子電路建構了一個三光子裝置。該系統能夠在無須主動控制的情況下長時間運行，這對於未來無法依賴脆弱、不斷調整的實驗室設置的量子技術來說，是一個重要的特徵。

研究人員將三個單光子以精心選擇的偏振態輸入到裝置中。該裝置隨後區分了不同類型的三光子W態。這些狀態中的每一種都代表了三個輸入光子之間特定的非經典關聯。

該團隊還評估了糾纏測量的保真度。在這裡，保真度指的是當輸入為純W態時，裝置給出正確結果的機率。

這對量子技術為何重要

這項成就可能幫助推進量子傳輸的發展，該技術涉及傳輸量子資訊而非將物質從一個地方移動到另一個地方。它還可以支持新的量子通訊協定、多光子糾纏態的傳輸，以及基於測量的量子運算的新方法。

Takeuchi表示：「為了加速量子技術的研發，深化我們對基本概念的理解並提出創新想法至關重要。」

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演示走向更具擴展性的平台的一部分。自2025年的W態研究以來，該領域的相關進展一直在持續。2025年底，研究人員在混合城市網路中，利用來自不同量子點的光子，展示了全光子量子傳輸。2026年，另一團隊報告了一個整合光子晶片，能夠在單一裝置上產生、操控和測量多粒子簇態糾纏。這些結果並非W態實驗的直接延伸，但它們顯示了對複雜糾纏進行更好控制和測量為何如此重要。

量子網路也已進入實際基礎設施。2026年，研究人員利用現有的紐約光纖電纜測試了一個三節點量子網路，透過糾纏交換將量子鏈路連接成一個小型網路。這種進展突顯了精確糾纏測量的長期需求，因為未來的量子網路將依賴於創建、路由、驗證和傳輸脆弱量子態的能力。

京都大學和廣島大學團隊現在計劃將他們的方法擴展到更大、更通用的複合光子糾纏態。他們也旨在開發用於糾纏測量的晶片上光子量子電路。

如果這項努力成功，讀取複雜量子態的能力將變得更快、更小、更實用。對於建立在糾纏基礎上的技術而言，這將是朝著能夠在未來的電腦和網路中可靠傳輸量子資訊的系統邁出的重要一步。