其他
PRL：新方法将开发超越标准量子极限的量子传感器
光子盒研究院
现在，一种新方法能确定使用给定量子态可进行的最灵敏测量，这是设计改进型量子传感器的关键知识。
量子传感器是一种可以利用量子纠缠、相干和叠加等量子行为来增强经典探测器测量能力的设备。例如，LIGO引力波探测器利用光的纠缠态来提高其干涉仪臂的距离测量能力，从而能够探测到比质子宽度小10,000倍的距离变化。通常情况下，量子传感器使用在被称为探测态的特殊量子态中制备的系统。为特定测量寻找理想的探测态是许多研究工作的重点。
现在，科罗拉多大学博尔德分校的Jarrod Reilly和他的同事们开发出了一种新的框架，用于优化这种搜索。这种方法有助于开发超越标准量子极限的量子传感器：标准量子极限是指无需特殊量子态制备即可获得的器件的最小噪声水平，因此可以显著提高测量灵敏度。
量子传感器的功能正在迅速扩展，并越来越多地从实验室走向现实世界。因此，该技术有望在众多领域发挥重要作用。量子传感器可以探测从磁场到温度等各种参数，有望提高单光子探测器、激光成像、探测和测距（激光雷达）探测器以及作为全球定位系统基础的原子钟等设备的灵敏度。
在许多设备中，量子传感器在参数估计中起着至关重要的作用。一般来说，量子参数估计包括三个步骤：首先，量子系统（如量子比特或量子比特集合）在最佳探测状态下准备就绪；其次，探测态经历单元演化，这一步骤也被称为量子演化。这种单元演化可被视为“灵敏度调整”，探针状态会根据相关参数的值发生变化。因此，这一步将有关参数的信息编码到探针状态中。第三，执行最佳测量，提取参数信息。
如何为特定系统或相关参数找到最佳探测状态，是量子传感器界日益关注的问题。对于给定的量子传感器，通常是通过寻找量子费雪信息(QFI)最大的状态来决定使用哪种探测状态。QFI是费雪信息的量子类似物，它测量的是某些可观测物所携带的关于某些未知参数的信息。量子探测态的QFI可评估其对相关参数变化的敏感度，因此被视为量子传感器中使用的量子探测态可靠性的关键指标。探针状态的QFI越高，对相关参数的测量就越精确。
Reilly和他的同事们的方法颠覆了这一搜索协议：他们的框架不是为给定的测量寻找最佳探针状态，而是为给定的探针状态寻找最佳测量。这种方法也使用了QFI，使他们能够评估给定探针状态在所有量子传感应用中的全部潜力。在他们的方法中，研究人员采用探针状态。然后确定其QFI矩阵(QFIM)。
将该矩阵对角化后，他们发现可以为特定量子传感目的确定该探测态的最佳发生器。因此，生成器可被视为特定的测量或量子操作，当应用于量子探测态时，它将最大限度地提高了与被测系统相关的估计精度参数。
为了更广泛地理解该方法的工作原理，可以考虑这样一个问题：试图找到一个从山上滚下来的球在固定时间内能走过的最长路线。在经典世界中，答案很简单：路径将映射出坡度最大的路线，因此搜索需要找到这条路径。在量子世界，答案则更为复杂。“量子山”存在大量维度，使得蛮力搜索难以实现。
但Reilly及其同事的方法采用了一种与经典方法类似的思路：找到探测状态在空间和时间中的最优轨迹，这种方式让人联想到经典广义相对论是如何通过在弯曲的时空中找到最优轨迹来预测光的路径的。利用几何概念，他们确定了哪些变换会导致特定纠缠量子系统以最快的方式演化，从而确定了该状态对哪些参数最为敏感。
除了改进当前的量子传感器，Reilly及其同事的方法还有可能为使用量子传感器进行多参数估计打开大门——而这正是许多成像和计量应用所需要的。他们的建议强调了高精度测量对于给定量子态选择正确发生器的重要性，从而为量子传感引入了一个新的视角。这一领域的研究和开发很可能在未来几年内带来创新性突破，推动量子技术的进步和我们对量子力学的理解。
参考链接：[1]https://www.cpsjournals.cn/index/news/detail/48368[2]https://physics.aps.org/articles/v16/172
相关阅读：量子传感正提高国防和军事行动的态势感知能力
量子传感器，怎样用于生物医学？| 综述荐读
测量误差减半，新方法显著提高了量子传感器精度！
MIT团队最新技术，将突破量子传感精度极限
美国国防：正开发量子传感器替代GPS
#光子盒视频号开通啦！你要的，这里全都有#
每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！
|qu|cryovac>你可能会错过：|qu|cryovac>