含噪中尺度量子时代的量子精密测量 | 应用物理前沿推介系列No.43

✦  +

+

本期推介

含噪中尺度量子(NISQ)时代的量子精密测量

以量子通讯、量子计算、量子精密测量和量子模拟为主要范畴的量子科技掀起了一场“调控量子效应、实现新功能、发展新技术”的科技革命。量子精密测量是探索利用量子效应实现超越经典测量精度散粒噪声极限的学科，它为未来变革性频标、弱场探测、雷达和导航等尖端科技提供了新突破口。随着量子系统规模逐渐增大至中等规模量子系统，加州理工学院John Preskill提出将这类含噪声量子系统称为含噪中尺度量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)[1]。2019年初，美国DARPA也启动了含噪中尺度量子器件优化(Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices, ONISQ)项目[2]。

虽然量子精密测量近年来已经取得了快速发展，但是在绝对测量精度上尚没有超越其对应的经典测量方案，制约其发展的主要瓶颈之一是量子效应不可避免地受到外场、环境和温度等因素影响而发生的退相干。首先，退相干对量子精密测量的集成性会构成挑战，使得量子优势无法体现。研究发现，随着退相干的发生，制备量子精密测量中的可集成性量子资源将变得越来越困难；其次，退相干对量子精密测量的稳定性会构成挑战，使得量子优势被破坏殆尽，不仅使量子精密测量的理想精度无法达到，而且造成计量误差随编码时间的增大而发散，即为噪声量子计量的止步定理。最后，为现实条件下量子精密测量所需的构架提供支持，需寻求更具鲁棒性的可集成量子物态、更加稳定的量子调控手段和更具抗退相干特性的新原理器件。近期，兰州大学的研究团队针对上述问题提出了一系列解决方案。

2019年，针对噪声量子计量的止步定理，该团队研究了基于光学Mach-Zehnder干涉仪的量子精密测量中的退相干，发现随着光学探针-环境能谱中束缚态的形成，计量误差不仅随编码时间的增大恢复为理想情况的递减，而且随光子数的标度在有限光子数区域还将渐进地恢复至其理想极限（图1）。该结果揭示了通过调控束缚态的形成来克服噪声诱导的退相干的物理机制，为现实条件下量子计量的实现奠定了理论基础[3]。

图 1. (a) 基于光学Mach-Zehnder干涉仪的量子精密测量方案图。(b) 测量误差随编码时间的演化。(c) 长编码时间极限下测量误差随光子数的变化图，插图为相干因子与能谱图[3]。

近日，该团队提出了克服噪声量子计量止步定理的Floquet工程方案，通过对基于Ramsey谱仪的量子精密测量方案中的原子进行周期驱动，发现当原子与噪声组成的复合系统形成Floquet束缚态时，其频率测量的误差将恢复到理想的t^-1标度关系。进一步结合最优控制方法，该机制还允许误差随着原子数N的标度关系恢复到理想的海森堡极限N^-1（图2），其中计量误差与量子Fisher信息的关系为δω₀∝(F_ω0)^-1/2。该结果同时恢复了噪声量子计量精度随原子数和编码时间的标度优势，有效地完全克服了噪声量子计量的止步定理对量子精密测量方案的破坏，对现实噪声条件下量子精密测量的实现具有重要意义[4]。

图 2. (a) 周期性驱动基于Ramsey谱仪的量子精密测量方案图。(b) 周期性驱动原子与噪声形成的复合系统的准能谱。(c) 量子Fisher信息与编码时间平方的比随驱动幅度A的变化图。(d) 稳态量子Fisher信息与原子数N的比随原子数N的变化图。(e) 优化驱动幅度A得到的稳态量子Fisher信息与原子数N的比随原子数N的变化图（红色实线）[4]。

针对量子精密测量中的可集成性量子资源制备问题，该团队进一步基于量子辐射体与矩形波导管的耦合体系提出了一种既不诉诸于相干耦合又无需激光驱动的稳态自旋压缩的制备方案，其利用了压缩库工程技术，所产生的自旋压缩与辐射体个数的标度在噪声条件下超越了以前方案（图3）。作为近年迅猛发展的波导量子电动力学的应用，该方案为自旋压缩的可集成化制备提供了可行的途径，其量子辐射体的高度空间分离性对提高量子精密测量的探测效率有潜在应用价值[5]。

图 3. (a) N个量子辐射体通过处于金属波导管中的压缩真空产生稳态自旋压缩的方案图。(b) 自旋压缩参数倒数在不同真空压缩度r下的演化图。(c) 不同初态下自旋压缩参数倒数的演化图。(d) 自旋压缩参数倒数在不同辐射体个数N下的随r的变化。支持稳态自旋压缩的真空压缩区间大小(e)、最佳自旋压缩参数倒数(f)和最佳真空压缩参数(g)随N的变化[5]。

他们也基于新原理提出了几种量子精密测量功能器件设计方案：提出具有卓越抗噪特性的量子光学陀螺仪，其精度超越了海森堡极限，为惯性导航技术的突破奠定了基础[6]；基于量子临界性提出超冷系统温度的量子测温仪，所得温度误差正比于温度，解决了传统量子测温仪长期存在的低温误差发散的问题，为量子器件和量子热力学中温度监控提供了可行方案[7]。

虽然这些研究结果从一定程度上缓解了特定噪声对量子精密测量的破坏，但是如何发展适用于一般噪声的通用退相干抑制策略仍是该领域的关键问题。相信在未来很长一段时期，有效的退相干控制仍然是含噪中尺度量子时代量子精密测量的研究重点之一。

推介人

柴国志，兰州大学“萃英学者”，物理科学与技术学院教授。主要从事布里渊散射、微波光子-磁振子耦合、高频磁性材料、磁功能器件等方面的研究。

参考资料

[1] John Preskill, Quantum Computing in the NISQ era and beyond (https://quantum-journal.org/papers/q-2018-08-06-79/pdf/)

[2] https://www.darpa.mil/program/optimization-with-noisy-intermediate-scale-quantum-devices

[3] Kai Bai, Zhen Peng, Hong-Gang Luo, and Jun-Hong An, Phys. Rev. Lett. 123, 040402 (2019).

[4] Si-Yuan Bai and Jun-Hong An, Phys. Rev. Lett. 131, 050801 (2023). 

[5] Si-Yuan Bai and Jun-Hong An, Phys. Rev. Lett. 127, 083602 (2021).

[6] Lin Jiao and Jun-Hong An, Photon. Res. 11, 150 (2023). (Editors’ picks).

[7] Ning Zhang, Chong Chen, Si-Yuan Bai, Wei Wu, and Jun-Hong An, Phys. Rev. Applied 17, 034073 (2022).

往期推介

基于感存算一体的人工智能视觉成像 | 应用物理前沿推介系列No.19

非晶碳/金刚石相变机制以及新型碳材料研究进展 | 应用物理前沿推介系列No.30

反铁磁拓扑绝缘体中的非线性声子学 | 应用物理前沿推介系列No.37

前沿推介专栏

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

往期精彩

点亮“在看”，点亮科学之星