科学家设计首个可编程量子传感器 接近理论极限

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HARALD RITSCH/UNIVERSITY OF INNSBRUCK

量子传感器有望达到新的精度水平。近日，奥地利的研究人员开发出了第一个可编程量子传感器，这种创新方法有望使量子传感器的精度接近自然法则设定的极限。

量子技术依赖于量子效应。例如，被称为叠加的量子效应允许原子和宇宙的其他组成部分基本上同时朝两个相反的方向旋转，或者同时存在于两个或多个地方。通过将许多被称为量子比特的成分叠加起来，并通过一种被称为纠缠的量子力学现象将它们连接起来，量子计算机理论上可以同时进行数量惊人的计算。

众所周知，量子计算机和其他量子技术对任何外界干扰都非常脆弱。然而，量子传感器利用这一脆弱性，对环境的最小干扰实现异常敏感，并在医学、纳米技术、电信和卫星导航方面有许多潜在的应用。

在这项新研究中，研究人员试图利用量子计算的最新进展来改进量子传感。他们的实验涉及由26个量子位组成的量子电路，每个量子位由电捕获的钙离子组成。

这项新技术采用了一种混合方法，每个量子电路都与一台经典超级计算机合作。科学家们对这个平台进行了编程，以运行一种变分量子算法，在这种情况下，该算法寻求问题的最佳解决方案，即测量量子位状态的量子电路的最佳设置。

在实验中，科学家们发现他们的可编程量子传感器可以充分优化自身，使其接近基本的传感极限，最高可达1.45倍。（最终感应极限为1倍；传感器越接近该极限，其性能越好。）令人惊讶的是，奥地利因斯布鲁克大学物理学家，也是研究的主要作者Christian Marciniak表示，传感器仍然“非常接近”，尽管它在系统中存在噪声，但它的性能最好。“这表明了该方案的强大性，这让我们对其在许多场景中的实际应用充满希望，”他说，“它实际上可以在现实环境中工作；在现实条件下提供切实的好处。”

这项新工作最直接的应用涉及处理捕获离子的传感器，包括原子钟和全球定位系统等设备，以及磁性和惯性传感器。例如，这项新技术可以提高磁强计的测量分辨率，以便“进行更准确的诊断”，Marciniak说。

类似地，改进后的原子钟可能会“提高GPS的定位精度”，Marciniak补充道。“同样，测量可能对空间没有限制，但可能对时间有限制。在较短的时间内达到相同的精度可能意味着你可以在较短的时间内完成相同的工作，或者减少某人被困在诊断机中的时间。”

Marciniak指出，最终，这项新技术可能有助于改进许多其他类型的传感器硬件平台。研究人员称，将越来越多的纠缠粒子加入这种新型可编程量子传感器，可能会比以前的设备产生“量子优势”。

科学家们在3月23日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。

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