量子計算機和通信承諾更強大的機器和堅不可摧的代碼。但是要使它們起作用，有必要測量粒子的量子狀態，例如光子或原子。量子狀態是描述粒子特徵（例如動量或能量）的數字。
但是測量量子狀態是困難且耗時的，因為這樣做的行為改變了它們，並且因為數學可能很複雜。現在，一個國際團隊說，他們找到了一種更有效的方法，這可以使構建量子力學技術變得更加簡單。
在1月20日雜誌《自然通訊》雜誌上詳細介紹的一項研究中，羅切斯特大學和格拉斯哥大學的研究人員直接測量了光子的27維量子狀態。這些維度是數學的，而不是空間中的維度，每個尺寸都是存儲信息的數字。要了解一個27維量子狀態，請考慮在二維中描述的一條線。一條線將在X和Y坐標中具有方向 - 例如，左3英寸，向上4英寸。量子狀態具有27個這樣的坐標。 [量子物理：自然界最酷的小顆粒這是給出的
“我們選擇了27個，在字母內大約有26個字母，然後再投入一個字母，”現在是維也納大學的博士後研究員Mehul Malik說。這意味著每個量子位或“量子”可以存儲一個字母而不是簡單的1或0。
看到一個光子
該小組由羅切斯特大學的光學與物理教授馬利克和羅伯特·博伊德（Robert Boyd）領導，能夠直接看到光子狀態。他們測量了光子的軌道角動量，這就是多少光顆粒“扭曲”在他們穿越太空時。
通常，找到光子的量子狀態需要兩步過程。首先，科學家必須測量光子的某些特性，例如其極化或動量。測量值是在光子的量子狀態的許多副本上進行的。但是這個過程有時會引入錯誤。為了擺脫錯誤，科學家必須研究他們獲得的“不允許”狀態的結果 - 那些不遵循物理定律的狀態。但是找到它們的唯一方法是搜索所有結果並丟棄不可能的結果。這消耗了很多計算時間和精力。此過程稱為量子斷層掃描。 [物理學中最大的9個未解決的奧秘這是給出的
光波是電場，每個都振盪並引起波浪。每個波浪與對方的及時移動，它們彼此垂直。一束光束由許多這樣的波浪組成。
光可以具有所謂的軌道角動量。在沒有軌道角動量的光束中，波浪的峰（例如電動）被排成一列。連接這些峰的平面將是平坦的。如果光束具有軌道角動量，則連接這些峰的平面將產生螺旋形的，螺旋的圖案，因為當您圍繞樑時，光波彼此略微偏移。為了測量光子的狀態，科學家必須“揭開”梁中波的這種螺旋形狀。
測量光子的量子狀態
該團隊首先通過一塊透明的聚合物發射了激光，該聚合物折射了光線，“揭開”了海浪形成的螺旋。然後，光線通過特殊鏡頭並進入閃光燈，使光束副本進行了許多副本。穿過光柵後，光散開以形成更寬的光束。
橫梁擴大後，它將擊中一種稱為空間光調節器的設備。調節器進行了第一個測量。然後，梁以其來自相同的方向向後反射，並通過梁分離器。那時，束的一部分向縫隙移動，這進行了第二個測量。 [扭曲物理：7個令人振奮的實驗這是給出的
兩個測量之一稱為“弱”，另一個稱為“強”。通過測量兩個屬性，可以重建光子的量子狀態，而無需冗長的誤差校正計算層析成像。
在量子計算機，粒子的量子狀態是存儲量子的原因。例如，量子可以存儲在光子的極化或其軌道角動量中，或兩者兼而有之。原子還可以將Qubits存儲在其動量或旋轉中。
當前的量子計算機中只有幾個位。馬利克指出記錄是14Qubits，使用離子。在大多數情況下，離子或光子只能存儲零件，因為各州將是二維的。他說，物理學家使用二維繫統，因為那是他們可以操縱的方法 - 操縱超過兩個維度將非常困難。
與斷層掃描相反，直接測量應該使測量顆粒狀態（在這種情況下為光子）變得更容易。這意味著添加更多維度（如本實驗，即27）並存儲更多信息是更簡單的。
紐約亨特學院（Hunter College）物理學教授馬克·希勒里（Mark Hillery）懷疑直接測量將證明一定比當前技術更好。希勒里在一封電子郵件中寫道：“關於弱測量值的爭議，尤其是它們是否真的有用。” “對我來說，這裡的主要問題是他們使用的技術是否比量子層掃描更好（更有效）來重建量子狀態，總而言之，他們說他們真的不知道。”
加拿大西蒙·弗雷澤大學（Simon Fraser University）的碩士候選人研究員傑夫·薩維爾（Jeff Acabail）在博伊德實驗室（Boyd's Lab）處理了類似的直接測量問題，他的工作在馬利克（Malik）的研究中被引用。他在一封電子郵件中說，更令人興奮的含義之一是“測量問題”。也就是說，在量子機械系統中，為什麼某些測量結果會破壞量子狀態而而不是量子技術本身的問題。他說：“直接測量技術為我們提供了一種直接進入我們要處理的量子狀態的核心的方式。”這並不意味著它沒有用 - 遠離它。 “在成像中也可能有應用，因為了解圖像的波函數而不是正方形，這可能非常有用。”
馬利克（Malik）同意需要更多的實驗，但他仍然認為優勢可能是相對速度直接測量提供的。他說：“斷層掃描減少了錯誤，但是後處理的[計算]可能需要數小時。”
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