图态是一类可以用图表示的纠缠量子态，由于其有趣的特性而成为许多近期物理研究的主题。这些独特的特性可能使它们在量子计算应用以及更广泛的量子技术中特别有前景。
在规范图状态中，图的每个顶点代表一个单独的量子位(量子位)，而这些量子位之间的纠缠表示为图的边。这个概念也被推广到量子信息不是存储在单个量子位中而是存储在连续变量中的状态，例如光的振幅和相位。
虽然图状态已显示出增强某些量子信息处理和基于量子的测量工具的潜力，但为任意图生成它们具有挑战性，因为它需要对生成纠缠的相互作用进行高水平的控制。
斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员演示了原子自旋系综的连续变量图状态的生成，形成图的顶点。他们的论文发表在《自然物理学》上，为利用这些状态实现新的量子计算和计量系统开辟了新的机会。
该论文的资深作者莫妮卡·施莱尔-史密斯(MonikaSchleier-Smith)告诉Phys.org：“我们最近的工作适合设计纠缠量子态，其中信息在两个或多个粒子之间的相关性中进行非局域编码。”“这些量子相关性是从量子计算机到超精密传感器等预期量子技术的重要资源。”
为了在现实世界中成功部署，量子计算机和超精密量子增强测量工具应该既可扩展又易于编程。换句话说，它们应该不仅能够维持两个原子之间的纠缠，而且能够维持多个原子之间的纠缠，并且应该允许研究人员控制系统中的相关性。
施莱尔-史密斯、她的研究生埃里克·库珀及其同事最近研究的主要目标是开发一种可扩展且可编程的原子纠缠方法。他们开发的方法需要使用激光技术来控制两个或多个子系统中原子之间的纠缠。
“我的实验室使用的主要实验技术是用激光操纵原子，”施莱尔-史密斯说。“首先，我们使用激光将原子冷却到接近绝对零的温度，并形成光镊，其中这些原子被捕获在激光束的焦点处。”
研究人员使用四个光镊将四个原子云放置在一对镜子之间，形成所谓的光学谐振器。这本质上是一个存储光子的“盒子”，允许它们在两个镜子之间反复来回反弹。
“我认为谐振器内的光就像一个信使，在原子之间来回运行并在原子之间传递信息，但重要的是，它是秘密进行的，不与外界共享信息，”施莱尔-史密斯解释道。“原子云之间谨慎地共享信息使它们变得纠缠在一起。”
利用他们的实验方法，研究人员能够有效地设计四模式方形图状态。因此，他们演示的方法有望成为一种可扩展且高效的解决方案，用于对量子节点之间的纠缠进行编程并生成图状态。
施莱尔-史密斯说：“人们可能天真地认为需要独立控制网络中每一对节点之间的相互作用，才能完全控制量子关联的结构。”
“这就像社交网络中的任何两个人都能够互相直接发送消息一样。然而，我们了解到，仅使用全局交互就可以准备一类非常广泛的纠缠态，例如向网络中的每个人广播消息。社交网络——加上对各个节点进行本地控制的附加成分。”
施莱尔-史密斯和她的研究小组最近的研究可能为图态在量子计算和量子计量中的广泛使用铺平道路。未来，他们的方法可用于为特定应用制备纠缠态，从量子纠错到量子增强传感。
“短期内，我们正在探索量子增强传感和成像的应用，例如，我们如何设计优化的量子态以识别磁场或光场中的特定空间模式?”施莱尔-史密斯补充道。
“从长远来看，我们希望将我们设计纠缠图态的方法扩展到作为量子计算量子位的单独捕获原子的阵列。这需要在谐振器的设计上取得进展，以增强原子-光相互作用的强度。”
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