摘要：量子纠缠是量子信息科学的核心，使得量子隐形传态、超密集编码和安全通信等现象成为可能。该领域的一个基本挑战是如何高效地识别和测量纠缠态。传统上，研究者依赖量子态层析，通过大量测量重建系统的密度矩阵。然而，层析在系统规模增大时扩展性极差：随着量子比特数目的增加，所
量子纠缠是量子信息科学的核心，使得量子隐形传态、超密集编码和安全通信等现象成为可能。该领域的一个基本挑战是如何高效地识别和测量纠缠态。传统上，研究者依赖量子态层析，通过大量测量重建系统的密度矩阵。然而，层析在系统规模增大时扩展性极差：随着量子比特数目的增加，所需测量资源呈指数增长，几乎不可行。
一种替代方案是纠缠测量。在这种测量中，量子系统被直接投影到某个特定的纠缠基上，从而能够一次性判定其状态。对两体系统来说，最典型的例子是Bell态测量，它是隐形传态等协议的关键步骤。而在三体或更多粒子的情形下，多体纠缠测量的重要性更加凸显。三量子比特纠缠态主要有两大类：GHZ 态和W 态。它们在量子纠缠的分类上彼此不等价，且具有完全不同的特性和应用。过去已有 GHZ 态的纠缠测量实现，但 W 态的专门测量方案一直缺失。
Park、Hofmann、Okamoto 和 Takeuchi 在 Science Advances 发表的论文 “Entangled Measurement for W States” 填补了这一空白，提出并实验验证了一种针对 W 态的纠缠测量方法。这一突破不仅丰富了量子测量工具箱，也为量子通信和量子网络的可扩展应用奠定了基础。
多体纠缠主要有两种类型：GHZ态和W态。GHZ态，通常表示为 ∣GHZ⟩=1/√2(∣00...0⟩+∣11...1⟩)，其特点是“完美”的要么全有要么全无的关联。如果一个量子比特被测量为∣0⟩ 态，那么其他所有量子比特也会瞬间被确定为 ∣0⟩ 态，对于 ∣1⟩ 态也同样如此。
与此相反，W态（以三量子比特为例）被定义为 ∣W⟩=1/√3(∣100⟩+∣010⟩+∣001⟩)。它的主要特点是对粒子丢失的强健性。如果一个三量子比特的W态中有一个粒子丢失，剩下的两个粒子仍然保持纠缠。这种“纠缠的存续”使得W态在嘈杂、高损耗环境下的量子通信中尤其有价值。
对于W态而言，进行纠缠测量是一个巨大的挑战。W态的强健性意味着其独特的关联比GHZ态更微妙、更分散。现有的 GHZ 测量工具无法直接套用，必须开发一种专门利用 W 态对称性的测量方案。
对W态进行实用纠缠测量的发展主要得益于光子量子计算的进步。光子是优良的量子信息载体，因为它们的退相干性很低，而且可以通过分束器和移相器等线性光学元件进行操控。
一种很有前途的方法是利用一个执行离散傅里叶变换（DFT）的光子量子比特的线性光学电路。DFT是一种数学运算，可将信号从其原始基底变换到由复指数构成的新基底。在量子计算的背景下，量子DFT电路可以被设计成以一种使其W态特性可测量的方式来转换输入态。一个设计精良的电路可以将W态映射到一种特定的、易于区分的输出态，例如所有光子都从某个特定的输出端口出射。
W态具有独特的循环移位对称性。例如，在一个三量子比特的W态中，循环移动量子比特（例如，从 ∣100⟩→∣010⟩→∣001⟩→∣100⟩）只会重新生成该态。DFT电路可以利用这种对称性。通过在傅里叶基底进行测量，人们可以有效地寻找这种特定的循环关联，从而确认W态的存在。这种方法被认为特别有价值，因为它具有可扩展性。通过以结构化的方式添加更多的分束器和移相器，同样的原理可以应用于测量四个、五个或更多量子比特的W态，为更大规模的量子处理器和网络铺平道路。
实验采用光子作为量子比特，利用其偏振编码，并分布在三个空间模式中。主要组成部分包括：
三模 DFT 光路：由分束器和相移器构成，实现模式间的傅里叶变换；光子数解析探测器（PNRDs）：测量输出模式中光子的分布，从而区分 W 态与其他状态；偏振编码与光学稳定性：通过偏振准备单光子，光路被设计成无需主动反馈即可长时间稳定运行。实验结果表明，该方法能够以约 0.871 ± 0.039 的判别保真度区分 W 态，理论与实验高度一致。这表明该方案在实际条件下可行。
对W态进行纠缠测量的能力是量子技术拼图中一个至关重要的缺失部分。虽然GHZ态因其在基础物理和量子计算算法中的作用而备受关注，但W态的强健性使其成为容错量子信息的无名英雄。一种可靠、可扩展的测量这些态的方法，将开启新一代的量子通信协议，使得能够构建经受住现实世界环境中不可避免的噪声和损耗的量子网络。优雅和高效的测量方案的持续发展，特别是在集成光子电路中，代表了量子信息科学的一个主要前沿，使我们离一个由量子力学定律定义的未来更近了一步。
来源：万象经验一点号
