科学家设计了第一个可编程量子传感器，将用于展示量子优越性

光子盒研究院出品

奥地利因斯布鲁克大学宣布，由Peter Zoller和Thomas Monz领导的两个物理学家团队设计了第一个可编程量子传感器，并在实验室进行了测试。简单来说，他们将量子信息处理技术应用于测量问题。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。

研究成果分别发表在《物理评论X》[1]和《自然》[2]杂志上。

原子钟是人类有史以来建造的最好的传感器。今天，它们应用于国家标准机构或导航系统的卫星中。全世界的科学家都在努力进一步优化这些时钟的精度。现在，由奥地利因斯布鲁克大学理论物理学家、墨子量子奖获得者Peter Zoller领导的一个研究团队开发了一个新概念[1]，可以用来以更高的精度操作传感器，而不管传感器使用的是哪种技术平台。

Zoller团队的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的Denis Vasilyev和Raphael Kaubrügger说：“我们回答了传感器在现有控制能力下的精度问题，并给出了实现方法。”

Zoller团队使用了量子信息处理中的一种方法——变分量子算法，描述了一个依赖于自由参数的量子门电路。通过优化例程，传感器自动找到最佳设置以获得最佳结果。

Vasilyev和Kaubrügger解释说：“我们将这种技术应用于计量学中的一个问题——测量科学。”Zoller也表示：“这是令人兴奋的，因为历史上原子物理学的进步是由计量学推动的，而量子信息处理正是由此产生的。所以，我们在这里兜了一圈。”

该原子钟采用的是Ramsey干涉测量法，这种类型的干涉测量首先将原子置于电子能级的叠加中，然后让原子通过一个光学腔。因此，量子叠加积累了一个可测量的相移，这取决于腔中光子的性质。

在这里，Zoller团队将64个原子纠缠在一起，用它们来制造一个更好的Ramsey干涉测量传感器。他们通过光学原子钟证明了该方法的有效性，其中原子系综相位的Ramsey干涉测量用于校正时钟的激光频率(图1)。由于纠缠，每个原子的状态不能完全独立于其他原子来描述。

图1 在原子钟中，输入状态充当时钟的指针。形象化展示了变分优化测量(白色球体)和输入状态(绿色楔形)的Wigner函数。

纠缠原子传感器以前也有，标准的方法是使用GHZ态。然而，这些状态只有在关于相移值的先验知识的某些假设下才是传感的最佳状态。这些状态仅适用于在有关相移值先验知识的某些假设下进行传感。因此，Zoller团队提出利用变分量子电路改进并超越GHZ态。这些电路具有一组自由参数，取代了用于实现量子算法的固定量子电路。变分量子电路具有内部参数(例如围绕特定布洛赫球轴的旋转角度)，可以通过优化这些参数来执行给定的任务。

研究人员提出使用两组变分量子电路来制备用于传感的纠缠态，并测量他们想要传感的参数(即光学相位)。他们分别称这些电路为纠缠电路和解码电路(图2)。

图2 在基于纠缠原子的光学原子钟中，当原子与时钟激光中的光子相互作用时，描述原子系综跃迁的波函数的相位发生了偏移(物理过程)。这种相移的测量被用来校正时钟激光频率的波动。研究人员提出使用变分量子电路来优化纠缠(参数θ)和解码(参数ϕ)过程，从而大大提高传感性能。

研究表明，使用Ramsey干涉测量法和原子钟平台中固有的量子资源组成的“浅层”电路可以实现出色的性能。由于只有几层量子电路，他们不仅超越了标准量子极限(适用于使用不相关原子进行的测量)，而且非常接近海森堡极限——量子系统可以达到的灵敏度的最终极限，因此也是量子传感器的最终极限。

在另一项工作中[2]，Thomas Monz和Rainer Blatt领导的研究团队继续将量子信息处理领域的概念与计量学相结合，并在实验上成功地实现了一个可编程量子传感器，其性能接近量子力学定律施加的基本极限。

他们通过使用低深度、参数化的量子电路实现最佳输入状态和测量算子，在俘获离子实验中执行传感任务，从而实现这一目标。

对于26个离子，结果接近基本传感极限，其系数为1.45±0.01，优于传统的自旋压缩，其系数为1.87±0.03。

与不使用纠缠协议的传统方法相比，他们的方法将达到给定Allan偏差的平均数减少了1.59±0.06倍。该团队进一步在设备上进行量子经典反馈优化，以“自校准”性能相当的可编程量子传感器。

这种能力表明，这种新一代量子传感器可以在事先不了解设备或其噪声环境的情况下使用。

图3 变分量子拉姆齐干涉测量电路的测量和反馈

论文第一作者、因斯布鲁克大学实验物理系的Christian Marciniak解释说:“在量子计算机的发展过程中，我们已经学会了创造定制的纠缠态。我们现在正利用这一知识来制造更好的传感器。”

虽然两项研究都使用了变分量子电路，但第一项研究中的模拟并不适用于所有传感器，因此在第二项研究中展示了第二种方法：研究人员使用在没有先验知识的情况下自动优化参数的方法。“与机器学习类似，可编程量子计算机作为高精度传感器自动找到其最佳模式”，论文作者之一、实验物理学家Thomas Feldker在描述底层机制时说。

之所以在离子阱量子计算机上基于变分量子计算进行频率测量，是因为线性离子阱中使用的相互作用在经典计算机上仍然相对容易模拟，因此研究人员能够在因斯布鲁克大学的超级计算机上检查必要的参数。尽管实验装置并不完美，但结果与理论预测值惊人地一致。

Peter Zoller说:“我们的概念使得在一个实际相关的问题上展示量子技术相对于经典计算机的优势成为可能。我们用变分Ramsey干涉测量法演示了量子增强型原子钟的一个关键组成部分。下一步是在专用的原子钟中运行它。能够在不久的将来用可编程量子传感器展示量子优越性。”

科罗拉多大学物理系教授、美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士叶军对此给予了高度评价。“我认为这是非常令人兴奋的工作，”叶军研究的算法可能并不完全相同，但他很兴奋地探索Zoller论文背后的基本思想。他还认为，这种“量子优化”将推动量子科学的新前沿。

今年2月，叶军团队开发出世界上最精确的原子钟，测得在一毫米高度差上，时间相差大约一千亿亿分之一，与广义相对论预言一致。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041045

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04435-4

[3]https://physics.aps.org/articles/v14/172#

[4]https://www.inverse.com/innovation/quantum-atomic-clock

[5]https://www.uibk.ac.at/newsroom/quantum-sensors-measuring-even-more-precisely.html.en

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