在量子世界里，给一组纠缠的光子“验明正身”，一直是件费时费力的苦差事。
最近，日本京都大学与广岛大学的研究团队终于找到了一把快刀：只需一次测量，就能识别出一种被称为“W态”的多光子纠缠态。
这项成果发表在国际学术期刊《科学进展》上，通讯作者是京都大学教授竹内繁树，合作者包括朴基培、霍尔格·霍夫曼和冈本亮等人。
竹内繁树感慨说，距离针对GHZ态的纠缠测量首次被提出，已经过去了二十五年多。
如今，W态终于也有了自己的纠缠测量方法，并在三光子W态上完成了真正的实验演示。
一个悬置四分之一世纪的难题，就此画上句号。这也为多光子纠缠的实用化扫除了一块重要的绊脚石。
爱因斯坦也头疼的“量子连体婴”
量子纠缠是量子世界最反直觉的现象之一。
当几个光子纠缠在一起，它们的性质就再也无法被单独描述。你必须把它们当作一个整体来看待，就像一组心意相通的“连体婴”。
这与经典物理的直觉格格不入。按常理，每个粒子都应该拥有属于自己的独立“真实状态”。
正是这一点，曾让爱因斯坦深感困扰，他甚至把纠缠称为“鬼魅般的超距作用”。
然而，时至今日，纠缠已被公认为量子通信、量子计算和量子信息传输等新兴技术不可或缺的核心资源。
在多光子纠缠家族里，GHZ态和W态是两位“明星成员”。其中GHZ的名字，来自三位物理学家格林伯格、霍恩和蔡林格的姓氏首字母。
两者的性格截然不同。GHZ态好比一串紧扣的锁链，只要丢掉一个光子，整体纠缠便荡然无存。
W态则更加“皮实”。即便其中一个光子丢失，剩下的光子之间仍然保留着纠缠，这让它在量子网络中格外有吸引力。
从“拍一万张照片”到“一眼认出”
要用好纠缠，科学家不仅要能制造多光子纠缠态，还得高效判断自己究竟造出了哪一种。
传统做法叫作量子层析。它通过大量测量来重建和估计一个量子态，有点像从成千上万张不同角度的照片中拼出一尊雕像的立体模型。
问题在于，所需数据量会随光子数增加呈指数级暴涨。光子数只要稍微多一点，测量次数就会多到难以承受。
纠缠测量则提供了一条捷径。它无需事后重建，而是一次性直接识别出纠缠态，好比看一眼就认出老朋友。
此前，科学家已经为GHZ态实现了这样的测量，但W态却一直没有可行的方案，更谈不上实验验证。
研究团队的突破口，是W态的一个数学特性，叫作“循环平移对称性”。
简单说，把W态中光子的排列按固定规律循环挪动一位，某种底层模式依然保持不变。
利用这一对称性，他们在理论上设计出一种基于光量子线路的纠缠测量方案。线路执行的是量子傅里叶变换，它能把量子信息重新组织，让原本难以察觉的规律显露出来。
按照理论，这种方法可以推广到任意光子数的W态。这意味着它不是只适用于三光子的“一次性技巧”，而是一套具有普遍意义的通用工具。
迈向量子隐形传态的新工具
为了验证构想，团队搭建了一台三光子测试装置。
他们采用高稳定性的光量子线路，无需主动调控就能长时间稳定运行。这对于精细的量子实验来说，是一项不小的工程成就。
研究人员把三个偏振态经过精心挑选的单光子送入装置，结果证明，系统能够区分不同类型的三光子W态。
每一种W态，都代表着三个入射光子之间一种特定的非经典关联。
团队还测量了这一纠缠测量的保真度，也就是在输入纯W态时，装置给出正确结果的概率，以此检验方法的可靠程度。
这项进展有望在多个方向派上用场。首先是量子隐形传态。
需要澄清的是，量子隐形传态并不是把物体“瞬间搬走”。它借助纠缠，把携带信息的量子态从一处转移到另一处。
此外，新方法还可能催生新的量子通信协议、多光子纠缠态的传输方案，以及新型的基于测量的量子计算。
竹内繁树表示，要加速量子技术的研发，深化对基础概念的理解、从中生发创新想法至关重要。
下一步，团队计划把方法推广到更大规模、更一般的多光子纠缠态，并开发能执行纠缠测量的片上光量子线路。
一旦装置从光学平台缩小到芯片上，它就更容易被集成进未来的量子计算机和量子网络之中。
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