作者：王蕙蓉

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒長(zhǎng)鈴研究組與清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖研究組合作，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。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然?通訊》(Nature Communications)。

圖片來(lái)自《自然?通訊》(Nature Communications)

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)和研究發(fā)展。測(cè)量精度每提高一個(gè)分貝，都可能推動(dòng)研究前沿，甚至可能開(kāi)辟一個(gè)新研究領(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)。其中，系綜是指在一定的宏觀條件下，大量性質(zhì)和結(jié)構(gòu)完全相同的、處于各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的、各自獨(dú)立的系統(tǒng)的集合。例如，激光引力波干涉天文臺(tái)(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)。

隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家認(rèn)為，憑借獨(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。在過(guò)去十年中，量子精密測(cè)量在理論上得到廣泛研究，科學(xué)家提出奇異量子態(tài)可以提高傳感器的信息獲取率，許多初步實(shí)驗(yàn)也展示了其在精密測(cè)量方面的潛力。然而，由于環(huán)境噪聲引起的退相干影響，奇異量子態(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)也受到退相干影響，因此在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)。盡管有研究人員提出可以通過(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。

近幾年，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)研究。此次，中科大鄒長(zhǎng)鈴研究組與清華交叉信息院孫麓巖研究組開(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。其中，躍遷是指量子力學(xué)體系狀態(tài)發(fā)生跳躍式變化的過(guò)程。

圖1：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖片來(lái)自清華大學(xué)交叉信息研究院

前述實(shí)驗(yàn)中的樣品由一個(gè)超導(dǎo)量子比特分別和兩個(gè)微波諧振腔耦合而組成（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。研究人員先將探測(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，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，前述團(tuán)隊(duì)在單次實(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)了其量子精密測(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)的測(cè)量靈敏度提升，圖片來(lái)自清華大學(xué)交叉信息研究院

前述實(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。其方案可以擴(kuò)展到離子阱系統(tǒng)和新興的量子聲學(xué)平臺(tái)。量子聲學(xué)是以量子力學(xué)和量子場(chǎng)論為基礎(chǔ)的聲學(xué)分支學(xué)科，研究固體中特超聲和聲波及聲子的產(chǎn)生、檢測(cè)和傳播規(guī)律，聲子與其他粒子和微觀結(jié)構(gòu)的相互作用，以及量子液體（液氦）中的聲學(xué)現(xiàn)象等。

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，前述實(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。其研究結(jié)果不僅揭示了量子信息技術(shù)在傳感領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)，而且促進(jìn)了玻色量子技術(shù)的進(jìn)一步研究。