Новый математический подход к созданию негауссовых квантовых состояний

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Феррары создали математическую схему проектирования негауссовых квантовых состояний, обладающих повышенной различимостью. Работа опубликована 15 июня 2026 года в журнале Physical Review A под названием «Раскрытие различимых негауссовых квантовых состояний».

Проблема различимости в квантовых системах

Одним из ключевых препятствий на пути практического применения квантовых технологий остаётся создание квантовых состояний, одновременно устойчивых, измеримых и легко различимых. Эти свойства лежат в основе любых прикладных квантовых устройств — от сенсоров и систем связи до вычислительных платформ и систем управления. Восстановление информации из квантовой системы напрямую зависит от степени различимости её состояний, что формально связано с их ортогональностью.

Поскольку никакие два гауссовых состояния — класс широко изучаемых квантовых состояний — не являются ортогональными, при попытке их различения неизбежно возникает ошибка. Существующие квантовые устройства сохраняют устойчивость лишь доли секунды и зачастую требуют сложных методов для различения состояний.

Фотонная вариация как путь к негауссовым состояниям

В рамках исследования команда сосредоточилась на энергетических уровнях фотонов. Андреа Джаниани пояснил, что использовался процесс, названный «фотонной вариацией», включающий либо добавление фотонов — перевод их в более высокое энергетическое состояние, либо их вычитание — аннигиляцию, то есть удаление из системы. Эти операции трансформируют гауссовы состояния в негауссовы, которые исследователи определили как особенно перспективные.

«Область негауссовых состояний довольно обширна, — отметил Джаниани, — однако мы фокусируемся на тех из них, которые проще реализовать с помощью существующих технологий, поскольку при переходе в квантовый мир необходимо учитывать реальные экспериментальные ограничения». Он добавил, что подобные фотонно-варьируемые состояния уже были получены в лабораторных условиях, и к таким операциям проявляется значительный научный интерес.

Алгебраическая геометрия в квантовом проектировании

Андреа Конти указал, что для этих относительно новых квантовых состояний отсутствовала чёткая теоретическая характеристика, что и обусловило необходимость разработки соответствующего математического аппарата. Созданная исследователями структура позволяет не только описывать такие состояния, но и целенаправленно проектировать их с повышенной различимостью.

Моэ З. Уин подчеркнул: «У нас есть теория, которая даёт нам готовую схему для проектирования этих негауссовых состояний, а не просто предложение “попробуйте то или это и надейтесь, что они окажутся хоть немного различимыми”. Наша теория точно указывает, как конструировать ортогональные негауссовы состояния». Ключевым прорывом стало установление связи между алгебраическими уравнениями и физической природой квантовых состояний — интеграция алгебраической геометрии в квантовую физику.

Питер Л. Фальб пояснил: «Уравнения, необходимые для определения ортогональности квантовых состояний, оказались полиномиальными. Случайно оказалось, что для их решения существует соответствующий математический аппарат».

От теории к экспериментальной реализации

После установления теоретических основ исследователи считают, что практическая реализация метода будет сравнительно простой. Существующие оптические установки могут быть адаптированы для генерации таких состояний без необходимости в принципиально новых технологиях.

Джаниани отметил: «В принципе можно напрямую подставить параметры, найденные при решении этих уравнений, в физические устройства и получить требуемые состояния. Я не думаю, что для этого потребуется более передовая технология». Конти добавил, что «сразу после публикации статьи мы надеемся, что экспериментаторы начнут проверять эти методы».

Уин заключил, что работа представляет собой лишь начальный этап: «Мы набираем обороты, и это очень захватывающе. Наш подход заключается не в том, чтобы задавать узкий вопрос типа “как настроить конкретную установку для повышения производительности?”, а в том, чтобы ставить более общие задачи проектирования сигналов и находить универсальные ключи, позволяющие решать их не в одном частном случае, а в значительно более широком классе задач».

Ссылка на публикацию: «Unveiling distinguishable non-Gaussian quantum states» — Андреа Джаниани, Моэ З. Уин, Питер Л. Фальб и Андреа Конти, 15 июня 2026 г., Physical Review A. DOI: 10.1103/ffbg-4897.