Теоретические исследования устанавливают единый способ количественной оценки важнейших квантовых свойств

В основе почти всех приложений квантовой информации, таких как вычисления и связь, лежат квантовые свойства суперпозиции и запутанности.

В квантовых компьютерах, которые обещают выполнять сложные вычисления, с которыми не справляются современные классические компьютеры, суперпозиция и запутанность идут рука об руку. В то время как суперпозиция позволяет физической системе, например частице, находиться в нескольких состояниях одновременно, запутанность связывает частицы, позволяя им образовывать неразделимое состояние, даже если они разделены большим расстоянием.

«Это фундаментальные свойства квантовой механики, определяющие свойства для многих приложений», — сказал Вэньчао Ге, доцент кафедры физики в Университете Род-Айленда, чьи теоретические исследования изучают фундаментальные вопросы квантовой механики. «Без суперпозиции и запутанности не существовало бы квантово-усиленных приложений».

В недавних теоретических исследованиях Ге и его коллеги Джиру Лю и М. Сухаил Зубайри, сотрудники Института квантовой науки и техники Техасского университета A&M, изучили взаимосвязь между двумя фундаментальными ресурсами квантовой физики.

Они установили единый способ количественной оценки двух свойств, определив математическое описание каждого из них. Их статья «Классическая-неклассическая полярность гауссовых состояний» была опубликована в Письма физического осмотра.

«Это теоретическое доказательство того, что два свойства — суперпозиция и запутанность — могут быть взаимозаменяемы количественно», — сказал Ге. «Наша работа обнаруживает важную количественную связь между этими двумя фундаментальными квантовыми эффектами для большого класса квантовых состояний. Эта работа открывает новое направление исследований в количественной оценке этих ресурсов для квантовой обработки информации».

Возможность количественной оценки свойств позволяет преобразовывать эти два ресурса из одного состояния в другое. «Иногда в квантовой механике один ресурс может быть трудно подготовить», — сказал Ге. «Если у вас есть другой тип ресурса, вы можете преобразовывать между этими ресурсами».

В области квантовой механики интерес к пониманию и применению неклассических ресурсов — ресурсов, которые не имеют классического аналога, например, частицы в состоянии с отрицательной вероятностью. Но исследования не смогли дать удовлетворительную унифицированную оценку обоих свойств, сказал Ге.

Исследователи хотели изучить внутреннюю связь между двумя квантовыми свойствами, которые определяют многие квантовые приложения высокого уровня, такие как вычисления, связь и восприятие. Для этого они рассмотрели гауссовские состояния, большой класс состояний в квантовой механике, известный своей легкостью воспроизведения и манипуляции во время экспериментов с квантовой информацией.

Предыдущие исследования рассматривали количественные соотношения двух свойств для двухмодовых или трехмодовых (две или три частицы) гауссовых состояний. Команда продвинулась в исследовании, предложив единую меру для квантовой суперпозиции в одночастичных системах и запутанности между несколькими частицами (две или три моды частиц).

По словам Ге, новая мера, «классическая-неклассическая полярность», количественно объединяет два эффекта для большого класса гауссовых состояний.

Ге отметил, что эта работа может стать основой для изучения других квантовых свойств в информационных приложениях, таких как квантовое зондирование и вычисления.

«Это первый шаг в поиске количественной связи между этими двумя свойствами», — сказал Ге. «Для гауссовых состояний мы доказали эту связь только до трех мод. Может быть полезно изучить четыре, пять или даже больше двудольных состояний. Мы предполагаем такую ​​количественную связь даже за пределами гауссовых состояний».

«Для физических исследований мы хотим увидеть, каковы свойства, каковы фундаментальные принципы», — добавил он. «Если мы откроем фундаментальный принцип, могут быть далеко идущие приложения».