江苏
在传感、通信、控制和计算等多种应用中，相较于经典系统，量子系统都有望实现前所未有的性能提升。要将这种潜力变为现实，很大程度上取决于我们能不能清楚地区分不同量子态。但这非常难。
现在，一个研究团队找到了一种新方法，可以在光的量子态与代数簇（algebraic variety）之间建立对应关系，进而创造出更容易分辨的量子态。这一成果已经发表在近期的《物理评论A》中，将有助于推动新型量子设备的发展。
可分辨的量子态
量子系统能够提供显著优于经典系统的性能，但这种优势并非唾手可得。要开发出能够产生并探测不同量子态的实用设备，就必须精心设计那些用于编码信息的量子态。
传统计算机通常利用固态器件中的不同电压来编码1和0；而光学系统则可能通过光脉冲的有无来表示信息。在量子设备中，用来编码信息的状态可能与单个原子的自旋态有关，也可能与一组电子的激发能级有关。
研究如何设计可分辨的量子态，能够转化为对传感和通信性能的提升。换言之，这一领域研究的是如何提高不同量子态之间的正交性，也就是提高它们的可分辨性。
至关重要的非高斯态
在这项新的理论研究中，研究人员关注的是与光子的能级有关的量子态。他们采用了一种被称为“光子变化”（photon variation）的操作方式。这种操作可以有两种形式：一种是光子添加（photon addition），即使光子被激发到更高能态；另一种是光子减除（photon subtraction），即通过光子湮灭过程将其从系统中移除。这些操作会把量子态从高斯态转变为非高斯态。
高斯态是一类被广泛研究的量子态。然而，任意两个高斯态都不是正交的，这意味着在尝试分辨它们时，会不可避免地会产生误差。而非高斯态在量子信息处理中具有更大的应用潜力。
数学方法开辟新的设计路径
在这项研究中，研究人员关注的是那些用现有技术更容易实现的非高斯态。因为如果想要迈向量子世界，就必须考虑现实中的实验挑战。他们发现，可以在光的量子态与代数簇之间建立映射关系。
代数簇是抽象代数中的一种数学结构。通过这种对应，原本复杂的量子问题可以被简化为可求解的数学方程，从而使分析过程更加简洁可控。用于确定量子态正交性的那些待求解方程，恰好是多项式方程。而数学领域已经有合适的工具可以求解这些方程。
如此一来，研究人员就获得了一套设计非高斯态的理论蓝图，为如何设计正交的非高斯态给出了明确的指导。这项研究的发现，源于代数方程与其背后物理机制之间的联系。研究人员表示，这是不同学科之间的重要连接——把代数几何引入了这个问题。
更广泛的设计策略
研究人员认为，既然基本原理已经得到建立，那么后续实验实现将相对直接。目前已经存在一些光学实验平台，就可用于实现这类量子态。原则上，只需要把通过求解这些方程得到的参数，直接输入到实验装置中，就能够产生相应的量子态。因此，他们希望这篇论文一经发表，实验物理学家就能开始尝试这些方法。
研究人员指出，与一些仍停留在概念阶段的前沿量子技术不同，这类经过光子变化得到的量子态已经能在实验室中被制备出来。不过，他们也强调，这还只是一个开始。
总的来说，这项研究所采取的方法，并不只局限于针对“某一种具体装置应该如何调节参数以提高性能”这样的问题。相反，他们关注的是一整类信号设计问题，并试图找到能从根本上解决这些问题的关键方法。这样得到的答案，就不会只适用于某一种特定系统，而是有望推广到更加广泛的量子技术领域。
#参考来源：
https://news.mit.edu/2026/how-to-create-distinguishable-states-for-quantum-systems-0615
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/ffbg-4897
#图片来源：
封面图&首图：Unsplash/CC0 Public Domain
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