双模式高斯态的总经典-非经典极性。来源：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.240201

几乎所有量子信息应用程序（例如计算和通信）的基础都依赖于叠加和纠缠的量子特性。

在量子计算机中（有望执行当今经典计算机无法处理的复杂计算），叠加和纠缠齐头并进。叠加允许物理系统（如粒子）同时处于多个状态，而纠缠则连接粒子，使它们能够形成不可分割的状态，即使它们相距很远。

“它们是量子力学的基本特性，是许多应用的决定性特性，”罗德岛大学（University of Rhode Island）物理学助理教授葛文超说，他的理论研究探讨了量子力学的基本问题。“没有叠加和纠缠，就不会存在量子增强应用。”

在最近的理论研究中，Ge 和德克萨斯 A&M 大学量子科学与工程研究所的合作者 Jiru Liu 和 M. Suhail Zubairy 探索了这两种基础资源与量子物理学之间的关系。

他们建立了一种量化这两种特性的单一方法，定义了每种特性的数学描述。他们的论文“高斯态的经典-非经典极性”发表在《物理评论快报》上。

“理论证明，叠加和纠缠这两个性质可以定量互换，”葛说。“我们的工作发现了一大类量子态的这两个基本量子效应之间的重要定量关系。这项工作为量化这些量子信息处理资源开辟了一个新的研究方向。

量化属性的能力允许将这两种资源从一种状态转换为另一种状态。“有时在量子力学中，一种资源可能难以准备，”Ge 说。“如果你可以拥有其他类型的资源，你就可以在这些资源之间进行转换。”

在量子力学领域，人们一直对理解和应用非经典资源感兴趣，这些资源没有经典对应物，例如处于负概率状态的粒子。但 Ge 说，研究未能对这两种特性做出令人满意的统一评估。

研究人员想探索这两种量子特性之间的内部关系，这决定了许多高级量子应用，例如计算、通信和传感。为此，他们研究了高斯态，这是量子力学中的一大类态，以其在量子信息实验中易于复制和操纵而闻名。

以前的研究着眼于双模或三模（两个或三个粒子）高斯态的两种性质的定量关系。该团队推进了研究，提出了一种用于单粒子系统中量子叠加和多粒子之间纠缠（双或三种粒子模式）的单一测量。

Ge 说，新度量“经典-非经典极性”被证明可以定量地统一一大类高斯态的两种效应。

Ge 表示，这项工作可以为探索量子传感和计算等信息应用的其他量子特性奠定基础。

“这是找到这两种特性之间定量关系的第一步，”葛说。“对于高斯态，我们只证明了三种模式的这种关系。研究 4 个、5 个甚至更多的二分法可能会很有用。我们推测这种定量关系甚至超出了高斯态。

“对于物理学研究，我们想看看特性是什么，基本原理是什么，”他补充道。“如果我们发现一个基本原则，可能会有深远的应用。”

更多信息：Jiru Liu 等人，高斯态的经典-非经典极性，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.132.240201。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2310.12104

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv