清华大学利用量子纠错码提升了量子精密测量的灵敏度
来源：清华大学交叉信息研究院
清华大学交叉信息研究院孙麓岩研究组与中国科学技术大学邹长铃研究组合作，在超导量子系统中首次利用玻色量子纠错编码来提升量子精密测量的灵敏度。该成果论文《Quantum-enhanced radiometry via approximate quantum error correction》（《通过近似量子纠错增强的量子辐射计》）近日在线发表于Nature Communications（《自然•通讯》）杂志上。
上个世纪以来，测量精度的不断提高促进了生物、医学、天文、化学等各个领域的技术和研究的发展。测量精度每提高一个分贝，都可能推动研究的前沿，甚至可能开辟一个新的研究领域。大多数精密测量利用自旋系综或玻色谐振子来探测微弱信号。例如，LIGO 利用激光干涉仪来探测宇宙中的引力波引起的空间振动。在人们的努力下，这些传感器正在接近其最终的经典极限。
近些年发展的量子信息技术利用独特的量子效应，有望实现超越精密测量精度的经典极限。因此在过去十年中，量子精密测量在理论上得到了广泛的研究。人们提出奇异量子态可以提高传感器的信息获取率，许多初步的实验也显示了它们在精密测量方面的潜力。然而，由于环境噪声引起的退相干影响，这些奇异的量子态是脆弱的。与其它量子技术所面临的问题相同，量子优势因而也受到退相干的影响，在实践中难以实现。尽管有人提出可以通过量子纠错来保护量子态的相干性，但在实践中将量子纠错与量子精密测量结合起来极具挑战性。
在过去的几年里，清华大学量子信息中心超导量子课题组一直致力于量子纠错的研究。最近，他们开发了近似量子纠错和量子跃迁跟踪的方法，首次展示了通过近似玻色量子纠错编码来增强量子精密测量的精度。
图1：实验系统示意图
实验样品由一个超导量子比特分别和两个微波谐振腔耦合组成（如图1所示），两个微波谐振腔中寿命高的作为探测腔，寿命低的作为接收腔。实验中先将探测腔内的光场态制备到不同光子态的叠加态上，该状态是一个典型的奇异量子态；再用接收腔接收外界信号源发射的微波信号，通过两个腔之间的相互作用，探测腔内光场叠加态的相对相位会随着时间积累；最后，通过读取探测腔内光场态的相位信息，可以测得接收腔内微波信号强度。同时，在探测过程中，为了抵抗环境噪声引起的接收腔内光场叠加态的退相干影响，他们在单次实验中多次使用了近似量子纠错操作并能跟踪错误发生的次数，从而增强了该量子精密测量方案可达到的测量灵敏度（如图2所示）。
图2：通过量子态|1⟩和|7⟩的叠加态实现了相比二能级系统的测量灵敏度提升
该实验是近年来首次将玻色量子纠错码用于增强量子精密测量的工作，证明了量子纠错可以用于提升量子精密测量的性能。该方案可以扩展到离子阱系统和新兴的量子声学平台。不同于量子纠错在量子信息存储方面的传统应用，该实验所展示的利用近似量子纠错来增强量子精密测量的精度是近期量子应用的新概念，并为未来量子精密测量和量子纠错结合的研究提供了新思路。
清华大学交叉信息研究院王韦婷博士、中科大2021级博士生陈子杰、清华大学交叉信息研究院2018级直博生刘心宇为文章共同第一作者，论文共同通讯作者为王韦婷博士、邹长铃研究员和孙麓岩副教授。其他作者还包括蔡伟州、马雨玮、穆相豪、潘啸轩、华子越、胡玲、徐源、王海艳、宋祎璞、邹旭波等。此项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、量子通信与量子计算机重大项目安徽省引导性项目、清华大学国强研究院、博士后基金等支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30410-8