全球研究人员正在竞相开发基于量子的新型传感、通信、计算与控制系统这些系统有望在性能上超越传统系统。而构建稳定、可测量、可区分的量子态是任何此类系统的核心所在也是一项极具挑战性的任务。量子态具有独特的物理特性可用于开发新型信息处理系统。然而稳定性与可区分性这两项关键特性难以同时实现。从量子系统中提取信息依赖于量子态的可区分性而这一内在属性与正交性密切相关。然而没有任何两个高斯态一类被广泛研究的量子态是正交的这导致在尝试区分它们时必然会产生误差。此外现有量子器件的稳定时间往往不足一秒且需要复杂的操作协议来区分不同状态。麻省理工学院与费拉拉大学的研究人员现已找到一种新方法可创建易于区分的量子态有望推动新型量子器件的研发。这项研究成果发表在今日出版的《物理评论A》期刊上作者包括麻省理工学院的Moe Z. Win和Peter L. Falb以及费拉拉大学的Andrea Giani和Andrea Conti。研究团队找到了一种将光的量子态与代数簇抽象代数中的数学结构相互转化的方法通过将问题归约为可求解的数学方程使分析过程更加清晰可控。量子系统能够提供远优于经典系统的性能Win表示但这并非唾手可得。要开发出能产生和检测不同量子态的实用器件需要精心设计用于编码信息的量子态。传统计算机通常通过固态器件中的不同电压来编码0和1而光学系统则可能利用光脉冲的有无来实现这一目的。在量子器件中量子态可能涉及单个原子的自旋态或一组电子的激发能级。Win补充道我们一直在研究如何设计可区分的量子态这将直接转化为传感和通信性能的提升。用该领域的专业术语来说他们正在提升不同量子态的正交性即可区分性。本次理论分析所研究的特定量子态与光子光的粒子的能级有关。Giani解释说他们采用了一种称为光子变换的操作具体分为两种形式光子增加将光子激发至更高能态和光子减少即将光子湮灭从系统中移除。这些操作将量子态从高斯态转变为非高斯态研究团队认为非高斯态在应用中更具价值。非高斯态的空间范围相当广泛Giani说但我们重点关注那些更易于用现有技术实现的非高斯态因为如果要实现向量子世界的过渡就必须充分考虑现实的实验挑战。Giani指出与某些正在探索量子应用的前沿技术不同这类光子变换态已经在实验室中成功制备并引发了广泛的研究兴趣。Conti表示这类量子态相对较新因此需要对这些态进行理论表征。该团队基于底层数学特性建立的理论表征使得设计具有更高可区分性的量子态成为可能。Win表示通过这项研究我们建立了一套理论框架为设计非高斯态提供了明确的蓝图而不是凭感觉去试试这个、试试那个希望它们多少能区分开来。我们的理论精确地告诉我们如何设计正交非高斯态。Win说这些发现来源于代数方程与底层物理之间的联系这是不同学科之间的重要纽带——将代数几何引入了量子领域。确定量子态正交性所需求解的方程恰好是多项式方程Falb说而恰好存在求解这些方程的合适数学工具。研究人员表示既然原理已经通过这项工作得到确立实际应用应该相对直接。目前已有一些光学装置可用于实现这类量子态。从原理上讲Giani指出你只需将通过求解方程得到的参数直接输入物理设备就可以产生这类量子态。我认为这不需要更先进的技术。Conti补充说论文一经发表我们希望实验物理学家能够立即尝试这些方法。但Win强调这仅仅是一个开始。我们正在积累势能这非常令人兴奋他说我们采取的方法是提出更具普遍性的问题而不是局限于针对某个特定装置如何调整参数以提升性能。我们着眼于一类信号设计问题寻找真正能够解锁这些问题的关键希望答案不仅适用于某一特定装置而是具有更广泛的意义。QAQ1非高斯态在量子系统中有什么优势A非高斯态是通过光子增加或光子减少操作将高斯态转变而来的量子态。由于没有两个高斯态是正交的区分高斯态时必然存在误差而非高斯态可以实现更高的可区分性正交性从而提升量子传感和通信系统的性能。此外这类态已在实验室中成功制备具备现实可行性。Q2麻省理工学院团队用什么数学方法解决了量子态区分问题A研究团队将量子态的正交性判定问题转化为多项式方程求解问题并借助代数几何中的代数簇这一数学结构进行分析。由于判断量子态正交性的方程恰好是多项式方程已有成熟的数学工具可以求解从而为设计可区分的非高斯量子态提供了明确的理论蓝图。Q3这项量子态研究成果距离实际应用还有多远A研究人员表示目前已有光学实验装置可用于实现这类非高斯量子态。理论上只需将方程求解得到的参数直接输入物理设备即可产生相应量子态不需要更先进的技术。团队希望论文发表后实验物理学家能够立即开展验证工作实际落地门槛相对较低。