清華新聞網(wǎng)6月15日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖副教授研究組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴研究員研究組合作，在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中首次利用玻色量子糾錯(cuò)編碼來(lái)提升量子精密測(cè)量的靈敏度。
上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，測(cè)量精度的不斷提高促進(jìn)了生物、醫(yī)學(xué)、天文、化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)和研究的發(fā)展。測(cè)量精度每提高一個(gè)分貝，都可能推動(dòng)研究的前沿，甚至可能開(kāi)辟一個(gè)新的研究領(lǐng)域。大多數(shù)精密測(cè)量利用自旋系綜或玻色諧振子來(lái)探測(cè)微弱信號(hào)。例如，LIGO利用激光干涉儀來(lái)探測(cè)宇宙中的引力波引起的空間振動(dòng)。在人們的努力下，這些傳感器正在接近其最終的經(jīng)典極限。
近些年發(fā)展的量子信息技術(shù)利用獨(dú)特的量子效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)超越精密測(cè)量精度的經(jīng)典極限。因此在過(guò)去十年中，量子精密測(cè)量在理論上得到了廣泛的研究。人們提出奇異量子態(tài)可以提高傳感器的信息獲取率，許多初步的實(shí)驗(yàn)也顯示了它們?cè)诰軠y(cè)量方面的潛力。然而，由于環(huán)境噪聲引起的退相干影響，這些奇異的量子態(tài)是脆弱的。與其它量子技術(shù)所面臨的問(wèn)題相同，量子優(yōu)勢(shì)因而也受到退相干的影響，在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)。盡管有人提出可以通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)保護(hù)量子態(tài)的相干性，但在實(shí)踐中將量子糾錯(cuò)與量子精密測(cè)量結(jié)合起來(lái)極具挑戰(zhàn)性。
在過(guò)去的幾年里，清華大學(xué)量子信息中心超導(dǎo)量子課題組一直致力于量子糾錯(cuò)的研究。最近，他們開(kāi)發(fā)了近似量子糾錯(cuò)和量子躍遷跟蹤的方法，首次展示了通過(guò)近似玻色量子糾錯(cuò)編碼來(lái)增強(qiáng)量子精密測(cè)量的精度。
圖1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
實(shí)驗(yàn)樣品由一個(gè)超導(dǎo)量子比特分別和兩個(gè)微波諧振腔耦合組成（如圖1所示），兩個(gè)微波諧振腔中壽命高的作為探測(cè)腔，壽命低的作為接收腔。實(shí)驗(yàn)中先將探測(cè)腔內(nèi)的光場(chǎng)態(tài)制備到不同光子態(tài)的疊加態(tài)上，該狀態(tài)是一個(gè)典型的奇異量子態(tài)；再用接收腔接收外界信號(hào)源發(fā)射的微波信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)腔之間的相互作用，探測(cè)腔內(nèi)光場(chǎng)疊加態(tài)的相對(duì)相位會(huì)隨著時(shí)間積累；最后，通過(guò)讀取探測(cè)腔內(nèi)光場(chǎng)態(tài)的相位信息，可以測(cè)得接收腔內(nèi)微波信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)，在探測(cè)過(guò)程中，為了抵抗環(huán)境噪聲引起的接收腔內(nèi)光場(chǎng)疊加態(tài)的退相干影響，他們?cè)趩未螌?shí)驗(yàn)中多次使用了近似量子糾錯(cuò)操作并能跟蹤錯(cuò)誤發(fā)生的次數(shù)，從而增強(qiáng)了該量子精密測(cè)量方案可達(dá)到的測(cè)量靈敏度（如圖2所示）。
圖2. 通過(guò)量子態(tài)|1>和|7>的疊加態(tài)實(shí)現(xiàn)了相比二能級(jí)系統(tǒng)測(cè)量靈敏度提升
該實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)首次將玻色量子糾錯(cuò)碼用于增強(qiáng)量子精密測(cè)量的工作，證明了量子糾錯(cuò)可以用于提升量子精密測(cè)量的性能。該方案可以擴(kuò)展到離子阱系統(tǒng)和新興的量子聲學(xué)平臺(tái)。不同于量子糾錯(cuò)在量子信息存儲(chǔ)方面的傳統(tǒng)應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)所展示的利用近似量子糾錯(cuò)來(lái)增強(qiáng)量子精密測(cè)量的精度是近期量子應(yīng)用的新概念，并為未來(lái)量子精密測(cè)量和量子糾錯(cuò)結(jié)合的研究提供了新思路。
該成果論文“通過(guò)近似量子糾錯(cuò)增強(qiáng)的量子輻射計(jì)”（Quantum-enhanced radiometry via approximat equantum error correction）近日在線(xiàn)發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）期刊上。
清華大學(xué)交叉信息研究院王韋婷博士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2021級(jí)博士生陳子杰、清華大學(xué)交叉信息院2018級(jí)直博生劉心宇為文章共同第一作者，論文共同通訊作者為王韋婷博士、鄒長(zhǎng)鈴研究員和孫麓巖副教授。此項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、量子通信與量子計(jì)算機(jī)重大項(xiàng)目安徽省引導(dǎo)性項(xiàng)目、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院、博士后基金等支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30410-8
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：呂婷
