当今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，实际设备中的自旋也会与光和振动(称为玻色子)相互作用，这大大增加了计算的复杂性。
在《物理评论快报》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，并利用这种方法有效地将量子设备配置成所需的状态。
量子设备利用量子粒子的奇特行为来执行超出“传统”机器能力的任务，包括量子计算、模拟、传感、通信和计量。这些设备可以采用多种形式，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。
无论量子器件的物理实现方式如何，它们通常被简化为相互作用的两级量子比特或自旋的集合。然而，这些自旋也会与周围的其他物质相互作用，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)就是玻色子的例子。
与只有两种可能能级(“0”或“1”)的自旋不同，每个玻色子的能级数是无限的。因此，用于描述与玻色子耦合的自旋的计算工具非常少。
在他们的新作品中，阿姆斯特丹大学、QuSoft和CentrumWiskunde&Informatica的物理学家LiamBond、ArghavanSafavi-Naini和JiříMinář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解决这一限制。每个非高斯状态都是更简单的高斯状态的组合(叠加)。
上图中的每个蓝红图案代表自旋玻色子系统的一个可能的量子态。“高斯态看起来就像一个普通的红色圆圈，没有任何有趣的蓝红图案，”博士候选人利亚姆·邦德解释说。高斯态的一个例子是激光，其中所有光波都完全同步。
“如果我们取许多高斯态并开始将它们重叠(使它们处于叠加态)，就会出现这些精美复杂的图案。我们特别兴奋，因为这些非高斯态让我们能够保留高斯态中存在的许多强大的数学机制，同时使我们能够描述一组更加多样化的量子态，”邦德说。
“可能的模式太多了，传统计算机往往难以计算和处理它们。相反，在这篇论文中，我们使用一种方法来识别这些模式中最重要的模式，而忽略其他模式。这让我们能够研究这些量子系统，并设计出准备有趣量子态的新方法。”
这种新方法可以高效地制备量子态，其性能优于其他传统协议。Bond指出：“快速量子态制备可能对各种应用都有用，例如量子模拟甚至量子误差校正。”
研究人员还证明，他们可以利用非高斯态来制备“临界”量子态，这种量子态对应于正在经历相变的系统。除了基本兴趣之外，这种状态还可以大大提高量子传感器的灵敏度。
虽然这些结果令人鼓舞，但它们只是迈向更宏伟目标的第一步。到目前为止，该方法已针对单个自旋进行了演示。一个自然但具有挑战性的扩展是同时包括许多自旋和许多玻色子模式。一个平行的方向是考虑环境对自旋玻色子系统的干扰。这两种方法都在积极开发中。
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