研究人员描述了用于配置量子器件的自旋玻色子系统

自旋（带箭头的蓝色球）与非高斯态描述的周围玻色子相互作用，这是一种准确描述量子器件内部发生的事情的新计算方法。图片来源：JiříMinář

当今的许多量子设备都依赖于量子比特的集合，也称为自旋。这些量子比特只有两个能级，即“0”和“1”。然而，真实设备中的自旋也与称为玻色子的光和振动相互作用，使计算变得非常复杂。

在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）的一篇新出版物中，阿姆斯特丹的研究人员展示了一种描述自旋玻色子系统的方法，并使用它来有效地配置处于所需状态的量子器件。

量子设备利用量子粒子的古怪行为来执行超出“经典”机器能力的任务，包括量子计算、模拟、传感、通信和计量。这些器件可以采取多种形式，例如超导电路的集合，或由激光或电场固定的原子或离子晶格。

无论其物理实现如何，量子器件通常被简化描述为相互作用的两级量子比特或自旋的集合。然而，这些自旋也与周围环境中的其他事物相互作用，例如超导电路中的光或原子或离子晶格中的振荡。光粒子（光子）和晶格的振动模式（声子）是玻色子的例子。

与只有两个可能的能级（“0”或“1”）的自旋不同，每个玻色子的能级数是无限的。因此，很少有计算工具用于描述与玻色子耦合的自旋。

在他们的新研究中，阿姆斯特丹大学的物理学家LiamBond，ArghavanSafavi-Naini和JiříMinář，QuSoft和CentrumWiskunde&Informatica通过使用所谓的非高斯状态描述由自旋和玻色子组成的系统来绕过这一限制。每个非高斯态都是更简单的高斯态的组合（叠加）。

上图中的每个蓝红色图案都代表了自旋玻色子系统的可能量子态。“高斯态看起来像一个普通的红色圆圈，没有任何有趣的蓝红色图案，”博士候选人利亚姆·邦德（LiamBond）解释说。高斯态的一个例子是激光，研究人员描述了用于配置量子器件的自旋玻色子系统其中所有光波都完全同步。

“如果我们采用许多这些高斯状态并开始重叠它们（使它们处于叠加状态），就会出现这些美丽而复杂的模式。我们特别兴奋，因为这些非高斯态使我们能够保留许多高斯态存在的强大数学机制，同时使我们能够描述一组更多样化的量子态，“邦德说。

“有太多可能的模式，经典计算机经常难以计算和处理它们。相反，在本出版物中，我们使用一种方法来识别这些模式中最重要的模式并忽略其他模式。这使我们能够研究这些量子系统，并设计出制备有趣量子态的新方法。

可以利用这种新方法有效地制备量子态，其性能优于其他传统使用的协议。“快速量子态制备可能对广泛的应用有用，例如量子模拟甚至量子纠错，”邦德指出。

研究人员还证明，他们可以使用非高斯态来制备“临界”量子态，这些量子态对应于正在经历相变的系统。除了基本利益之外，这种状态还可以大大提高量子传感器的灵敏度。

虽然这些结果非常令人鼓舞，但它们只是迈向更雄心勃勃的目标的第一步。到目前为止，该方法已经证明是单次旋转。一个自然但具有挑战性的扩展是同时包含许多自旋和许多玻色子模式。平行方向是解释环境干扰自旋玻色子系统的影响。这两种方法都在积极开发中。

更多信息：LiamJ.Bond等人，使用非高斯变分Ansatz和量子最优控制的快速量子态制备和巴斯动力学，物理评论快报（2024）。DOI：10.1103/PhysRevLett.132.170401.在arXiv上：DOI：10.48550/arxiv.2306.01730

期刊信息：PhysicalReviewLetters，arXiv