全球研究人员正在全力开发新型基于量子的系统，这些系统在传感、通信、计算和控制方面有望超越传统系统。创建稳定、可测量且可区分的量子状态是任何此类系统的核心任务，然而这是一项艰巨的挑战。量子状态具有独特的特性，可以用于开发新颖的信息处理系统，但稳定性和可区分性这两个关键属性却难以实现。提取量子系统的信息依赖于量子状态的可区分性，这与正交性有关。
尽管没有两个高斯状态（广泛研究的量子状态类别）是正交的，这在尝试区分它们时会产生不可避免的错误。此外，目前的量子设备往往仅能保持稳定几分之一秒，并且需要复杂的协议来区分状态。麻省理工学院和费拉拉大学的研究人员现已找到一种新的方法来创建易于区分的状态，这将有助于新型基于量子的设备的发展。
该方法由麻省理工的Moe Z. Win和Peter L. Falb与费拉拉大学的Andrea Giani和Andrea Conti共同发表在《物理评论A》期刊上。研究团队找到了在光的量子状态和代数簇（抽象代数中的一个数学结构）之间转换的方法，使得分析变得更加可管理，简化为可解的数学方程。
Win指出：“量子系统可以提供显著优于经典系统的性能，但这并不是免费的。”为了开发实用的设备来产生和检测不同的状态，“需要仔细设计所编码信息的量子状态。”传统计算机通常使用固态设备中的不同电压来编码1和0，而光学系统可能利用光脉冲的存在或缺失。在量子设备中，状态可能与单个原子的自旋状态或一组电子的激发水平有关。
研究中关注的特定状态与光子的能量水平有关。Giani解释说，他们使用了一种称为光子变化的操作，这可以分为两种形式：光子添加（将光子激发到更高的能量状态）和光子减去（使光子从系统中消失）。这些操作将量子状态从高斯状态转变为非高斯状态，团队得出结论，非高斯状态似乎更有用。Giani表示：“非高斯状态的领域相当广泛，但我们正在寻找与当前技术更易实现的非高斯状态，因为如果我们想要过渡到量子世界，需要考虑现实的实验挑战。”
与某些尖端技术相比，Giani指出：“这些类型的光子变化状态在实验室中已经被产生，并且对此类操作有很大兴趣。”这些状态相对较新，Conti表示：“因此，需要对这些状态进行理论表征。”研究团队基于潜在的数学属性推导出的理论表征，使得设计出更高可区分性的状态成为可能。Win表示：“我们有了一种理论，为设计这些非高斯状态提供了蓝图，而不仅仅是尝试这个和那个，希望它们能在某种程度上可区分。”
研究结果建立在代数方程与基础物理之间的联系上，Win表示：“这就是不同学科之间的重要联系——将代数几何带到桌面上。”Falb补充道：“确定量子状态正交性所需解决的方程恰好是多项式方程，正好有适当的数学来解决它们。”
现在，随着原则的建立，实施应该相对简单，研究人员表示，已经有一些光学设置可以用来实现这些状态。“原则上，”Giani指出，“你可以将通过解决这些方程找到的参数直接放入你的物理设备中，产生这些状态。我认为这不需要更先进的技术。”Conti补充说：“一旦这篇论文发表，我们希望实验人员能尝试这些方法。”但这仅仅是个开始，Win强调：“我们正在获得动力，这非常令人兴奋。我们在这里采取的方法是提出比单纯的特定设置更一般的问题，寻找真正解锁这些问题的关键，因此希望答案不仅适用于一个特定设置，而是更广泛的东西。”
博主点评： 研究团队通过将量子状态与代数几何结合，提出了一种新的思路来解决量子状态的可区分性问题。这种创新方法有望推动量子技术的实际应用，为量子计算和通信的发展奠定基础，值得期待。