Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een kwantummechanische toestand geconstrueerd waarin de kleuren van drie fotonen met elkaar verstrengeld zijn. De staat is een bijzondere combinatie, een W-staat genoemd, die enige verstrengeling behoudt, zelfs als een van de drie fotonen verloren gaat, wat het bruikbaar maakt voor kwantumcommunicatie. Dergelijke verstrengelde toestanden maken ook nieuwe kwantumtoepassingen en tests van fundamentele fysica mogelijk.

Het unieke van dit werk is dat de onderzoekers kleur, of de energie van de fotonen, als de verwarrende mate van vrijheid, terwijl eerder werk polarisatie gebruikte. De energie van een foton kan niet gemakkelijk worden veranderd, wat de kans op fouten verkleint wanneer de energie-verstrengelde W-toestand zich over een lange afstand voortplant. De toestand werd voor het eerst geverifieerd door informatie over de twee-foton-subsystemen te meten. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Mensen hebben eerder polarisatie-verstrengelde W-staten gecreëerd, " merkte Bin Fang op, de afgestudeerde student op het project. "Echter, dit is de eerste discrete energie-verstrengelde W-toestand en de eerste drie-foton verstrengelde toestand gecreëerd in optische vezels."

Om de staat te creëren, de onderzoekers schijnen een laser in een glasvezel. Door een proces dat spontane vier-golfmenging wordt genoemd, vier laserfotonen interageren met de vezel en worden vernietigd om twee paar fotonen met verschillende kleuren te creëren (bijvoorbeeld twee paar rode en groene fotonen). Deze vier fotonen worden gebruikt om de 3-foton W-toestand te construeren. Een van hen is gedetecteerd als groen, de andere drie verstrengeld achterlatend als een W-staat, die bestaat uit alle mogelijke iteraties van twee rode fotonen en een groene foton tegelijk.

De illustratie die de onderzoekers gebruiken is die van verkeerslichten.

"Zoals drie verkeerslichten die altijd twee stops aangeven en gaan, de kleuren van de fotonen zijn altijd twee rode en een groene, maar de specifieke combinatie is pas vastgesteld als we een meting hebben gedaan - een kenmerk van de kwantummechanische aard van fotonen, " zei Virginia Lorenz, universitair hoofddocent natuurkunde en de hoofdonderzoeker.

In vergelijking met andere soorten verstrengeling van drie deeltjes, de W-toestand is nuttig voor kwantumcommunicatie omdat, als een van de fotonen verloren gaat, de andere twee behouden enige verstrengeling, wat betekent dat de communicatie kan doorgaan.

"Een ander nieuw aspect van dit onderzoek is dat we een manier hebben gevonden om te verifiëren dat de staat de staat is waarnaar we streefden en die een gecompliceerde kleurconversiestap omzeilt, "zei Lorenz. "Onze theoretici-medewerkers kwamen met een manier om vrij eenvoudig aan te tonen dat de W-staat bestaat."