历时25年终测量量子纠缠，或将改变一切
京都大学和广岛大学物理学家首次实现三光子W态纠缠的实验测量，这一历时二十年的里程碑成果有望重塑量子计算与量子密码学。
原本需要几十年才能实现的测量
二十五年间，物理学家们知道如何测量一类多粒子量子纠缠，却无法测量另一类。Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态——教科书上描述三个或更多粒子共享量子身份的经典范例——在1990年代末提出的测量技术面前迎刃而解。而另一种选择，即W态纠缠，却被搁置一旁。不是因为理论不够完善，而是因为没有人能制造出测量它的仪器，同时又不摧毁他们想要观察的那个量子态。
这一局面在2025年9月改变。京都大学与广岛大学的一个研究团队在《Science Advances》上发表了他们所称的里程碑式实验成果——首次实现对三路光子W态纠缠的测量。
按照大多数科学标准，这一结果 modest——87%的保真度，远高于证明真实三粒子纠缠所需的66.7%阈值——但其意义却远超数字本身。人类首次在实验上驾驭了一类具有独特实用价值的纠缠态。
为何W态不只是另一种GHZ态
量子纠缠违背日常直觉。当粒子发生纠缠时，它们不再拥有各自的独立量子态。测量其中一个，其余粒子——无论相隔多远——都会瞬间坍缩到与之关联的结果上。这一特性既催生了量子计算的构想，也滋养了关于星际通讯的科幻情节。后者是不可能的：纠缠关联是随机的，无法传递任何信息。前者才是真正值得期待的回报。
GHZ态是最简单的多粒子纠缠形式。测量其中一个粒子，整个纠缠结构就会坍缩。它在理论上稳健，在实践中脆弱。
W态则表现不同。从纠缠的W态中失去一个光子，其余粒子仍然保持纠缠。这种韧性不是一个次要优势——它是一个结构性特征，可能决定哪些纠缠态能够在现实世界的量子器件中大显身手。一台丢失光子就丢失全部计算的量子计算机，是大多数工程团队无法承受奢侈。而一台能够承受部分粒子损失的系統，则完全是另一回事。
正是这种存活特性，使W态成为光子量子技术中更为实用的候选方案——在那里，光子损失不是理论风险，而是每天都在面对的 engineering 难题。
他们究竟是如何测量的
测量纠缠态的传统方法是量子层析：获取数千个相同的纠缠系统，从不同角度对每个系统进行测量，然后从统计模式中重建完整的量子态。概念上清晰，实践中极其繁复。所需测量数量随每个新增粒子指数增长。而且你需要许多相同的系统副本，因为每次测量都会破坏纠缠。
京都-广岛团队规避了这两个瓶颈。他们搭建了一个离散傅里叶变换光学电路——一种定制化的干涉仪装置，在单次测量中完成三个光子的分束与重组。他们没有通过多次摧毁的样本来重建状态，而是在一次测量中提取了W态"循环移位对称性"的相关量子信息。
循环移位对称性意味着，当每个光子在一个环中移动一个位置时，纠缠构型看起来保持不变。想象三个人围坐在篝火旁，各自向左移动一个座位——整体排列没有变化。这个DFT电路专门针对这类不变结构进行调谐，从噪声中提取W态的特征信号，而不必通过重复测量摧毁整个系统。
测得的判别保真度为0.871 ± 0.039。研究团队将未达完美保真度的差距归因于光子制备和测量装置本身的缺陷——两者都是众所周知的工程挑战，而非根本性障碍。
谁受益，谁受损
最直接受益的是光子量子信息领域。多年来，GHZ态主导了实验工作，因为它们可测量；而W态在理论上诱人，却在实验中遥不可及。这篇论文扫除了这一限制。任何在光子芯片上构建量子通信协议、量子密钥分发网络或多量子比特量子处理器的团队，现在都拥有了一个此前无法触及的可测量资源。
次要受益者是日本的量子研究基础设施。京都大学和广岛大学并非新入局者。但GHZ态测量与W态测量之间长达25年的空窗期——由一个协作团队填补——意义深远。它展示了日本在量子光学领域的深厚积淀，这是西方实验室应该密切关注的。
谁受损？绝对意义上无人受损。但这项论文填补的测量空白，同时也是某些依赖W态韧性的量子密码学方法的瓶颈所在。那些协议在理论上始终成立；它们只是缺少实验验证。现在，它们有了。
下一步会发生什么
研究团队已经勾勒出了下一步的方向：将这种测量技术整合进紧凑、可扩展的片上光子量子电路。从实验室干涉仪迈向芯片，是从证明原理到制造产品的跨越。这也是大多数量子测量技术夭折的地方。
如果芯片级版本可行，应用范围将迅速拓宽。量子密码学将获得最直接的收益——基于W态的协议可以利用现有光纤基础设施，实现更具容错能力的量子密钥分发。量子计算从短期看不那么直接，但从根本而言受益更深，因为W态为抗错误的多量子比特操作提供了结构性优势。
还有一个更长的时间线需要考虑。作者提到药物发现和个性化医疗将成为下游受益者。这不是炒作——这是在提醒人们，分子系统的量子模拟需要这种论文所帮助建立的多粒子纠缠控制能力。但这一时间线至少在芯片级电路之后还要再延伸数年，甚至数十年。
87%的保真度只是一个起点，并非天花板。光子制备和测量的不完美都是已有解决方案的工程问题。真正的突破在于，测量本身现在成为可能。二十五年前，它只是一个理论提案；今天，它已成为一个实验方案。问题不再是W态纠缠能否被测量，而是测量能力能够以多快的速度扩展规模。
更大的图景
量子纠缠向来更容易在纸面上谈论，而难以在实践中把握。数学与测量之间的鸿沟，决定了量子技术是生是死。这篇论文缩小了这一鸿沟——针对一类重要的量子态。它并未解决量子系统扩展这一更广泛的问题。但它移除了一项特定的、长期存在的障碍——而在一个障碍往往层层叠加的领域中，四分之一世纪后移除一座障碍，值得被郑重记下。