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用代数几何,设计更容易区分的量子态

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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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