江蘇
在傳感、通信、控制和計算等多種應用中，相較于經典系統，量子系統都有望實現前所未有的性能提升。要將這種潛力變為現實，很大程度上取決于我們能不能清楚地區分不同量子態。但這非常難。
現在，一個研究團隊找到了一種新方法，可以在光的量子態與代數簇（algebraic variety）之間建立對應關系，進而創造出更容易分辨的量子態。這一成果已經發表在近期的《物理評論A》中，將有助于推動新型量子設備的發展。
可分辨的量子態
量子系統能夠提供顯著優于經典系統的性能，但這種優勢并非唾手可得。要開發出能夠產生并探測不同量子態的實用設備，就必須精心設計那些用于編碼信息的量子態。
傳統計算機通常利用固態器件中的不同電壓來編碼1和0；而光學系統則可能通過光脈沖的有無來表示信息。在量子設備中，用來編碼信息的狀態可能與單個原子的自旋態有關，也可能與一組電子的激發能級有關。
研究如何設計可分辨的量子態，能夠轉化為對傳感和通信性能的提升。換言之，這一領域研究的是如何提高不同量子態之間的正交性，也就是提高它們的可分辨性。
至關重要的非高斯態
在這項新的理論研究中，研究人員關注的是與光子的能級有關的量子態。他們采用了一種被稱為“光子變化”（photon variation）的操作方式。這種操作可以有兩種形式：一種是光子添加（photon addition），即使光子被激發到更高能態；另一種是光子減除（photon subtraction），即通過光子湮滅過程將其從系統中移除。這些操作會把量子態從高斯態轉變為非高斯態。
高斯態是一類被廣泛研究的量子態。然而，任意兩個高斯態都不是正交的，這意味著在嘗試分辨它們時，會不可避免地會產生誤差。而非高斯態在量子信息處理中具有更大的應用潛力。
數學方法開辟新的設計路徑
在這項研究中，研究人員關注的是那些用現有技術更容易實現的非高斯態。因為如果想要邁向量子世界，就必須考慮現實中的實驗挑戰。他們發現，可以在光的量子態與代數簇之間建立映射關系。
代數簇是抽象代數中的一種數學結構。通過這種對應，原本復雜的量子問題可以被簡化為可求解的數學方程，從而使分析過程更加簡潔可控。用于確定量子態正交性的那些待求解方程，恰好是多項式方程。而數學領域已經有合適的工具可以求解這些方程。
如此一來，研究人員就獲得了一套設計非高斯態的理論藍圖，為如何設計正交的非高斯態給出了明確的指導。這項研究的發現，源于代數方程與其背后物理機制之間的聯系。研究人員表示，這是不同學科之間的重要連接——把代數幾何引入了這個問題。
更廣泛的設計策略
研究人員認為，既然基本原理已經得到建立，那么后續實驗實現將相對直接。目前已經存在一些光學實驗平臺，就可用于實現這類量子態。原則上，只需要把通過求解這些方程得到的參數，直接輸入到實驗裝置中，就能夠產生相應的量子態。因此，他們希望這篇論文一經發表，實驗物理學家就能開始嘗試這些方法。
研究人員指出，與一些仍停留在概念階段的前沿量子技術不同，這類經過光子變化得到的量子態已經能在實驗室中被制備出來。不過，他們也強調，這還只是一個開始。
總的來說，這項研究所采取的方法，并不只局限于針對“某一種具體裝置應該如何調節參數以提高性能”這樣的問題。相反，他們關注的是一整類信號設計問題，并試圖找到能從根本上解決這些問題的關鍵方法。這樣得到的答案，就不會只適用于某一種特定系統，而是有望推廣到更加廣泛的量子技術領域。
#參考來源：
https://news.mit.edu/2026/how-to-create-distinguishable-states-for-quantum-systems-0615
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/ffbg-4897
#圖片來源：
封面圖&首圖：Unsplash/CC0 Public Domain
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