量子系统可区分态的构建新方法

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。"

Q&A

Q1：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。