今天的许多量子设备都依赖于量子比特的集合，也被称为自旋。这些量子比特只有两个能级，“0”和“1”。然而，在真实的设备中，自旋也与光和称为玻色子的振动相互作用，使计算变得非常复杂。
在《物理评论快报》的新出版物中，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器件配置到理想状态。
量子设备利用量子粒子的奇特行为来执行超越“经典”机器所能做的任务，包括量子计算、模拟、传感、通信和计量。这些装置可以有多种形式，比如超导电路的集合，或者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，这些自旋也与周围的其他事物相互作用，比如超导电路中的光或原子或离子晶格中的振荡。光的粒子(光子)和晶格的振动模式(声子)是玻色子的例子。
与自旋不同，自旋只有两个可能的能级(“0”或“1”)，每个玻色子的能级数量是无限的。因此，很少有计算工具来描述与玻色子耦合的自旋。
在他们的新研究中，来自阿姆斯特丹大学、QuSoft和Centrum Wiskunde & Informatica的物理学家Liam Bond、Arghavan Safavi-Naini和Ji?í Miná?通过描述由自旋和玻色子组成的系统，利用所谓的非高斯态，解决了这一限制。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代表了自旋玻色子系统的一种可能的量子态。“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-红模式，”博士候选人利亚姆·邦德解释说。高斯态的一个例子是激光，其中所有的光波完全同步。
“如果我们把这些高斯态中的许多态重叠起来(使它们处于叠加状态)，就会出现这些美丽而复杂的图案。我们特别兴奋，因为这些非高斯态允许我们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更多样化的量子态集合，”邦德说。
“有太多可能的模式，传统计算机通常很难计算和处理它们。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，而忽略其他模式。这让我们能够研究这些量子系统，并设计出制备有趣量子态的新方法。”
这种新方法可以有效地制备量子态，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，”Bond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，这种状态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，但它们只是迈向更宏伟目标的第一步。到目前为止，这种方法已经被证明了一次旋转。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。平行方向是用来解释干扰自旋玻色子系统的环境的影响。这两种方法都在积极发展中。
