超導量子系統中利用玻色量子糾錯碼提升量子精密測量的靈敏度

2022年06月15日 瀏覽次數: 0

      清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組與中國科學技術大學鄒長鈴研究組合作，在超導量子系統中首次利用玻色量子糾錯編碼來提升量子精密測量的靈敏度。該成果論文《Quantum-enhanced radiometry via approximate quantum error correction》（《通過近似量子糾錯增強的量子輻射計》）近日在線發表于Nature Communications（《自然•通訊》）雜志上。

    上個世紀以來，測量精度的不斷提高促進了生物、醫學、天文、化學等各個領域的技術和研究的發展。測量精度每提高一個分貝，都可能推動研究的前沿，甚至可能開辟一個新的研究領域。大多數精密測量利用自旋系綜或玻色諧振子來探測微弱信號。例如，LIGO 利用激光干涉儀來探測宇宙中的引力波引起的空間振動。在人們的努力下，這些傳感器正在接近其最終的經典極限。

    近些年發展的量子信息技術利用獨特的量子效應，有望實現超越精密測量精度的經典極限。因此在過去十年中，量子精密測量在理論上得到了廣泛的研究。人們提出奇異量子態可以提高傳感器的信息獲取率，許多初步的實驗也顯示了它們在精密測量方面的潛力。然而，由于環境噪聲引起的退相干影響，這些奇異的量子態是脆弱的。與其它量子技術所面臨的問題相同，量子優勢因而也受到退相干的影響，在實踐中難以實現。盡管有人提出可以通過量子糾錯來保護量子態的相干性，但在實踐中將量子糾錯與量子精密測量結合起來極具挑戰性。

    在過去的幾年里，清華大學量子信息中心超導量子課題組一直致力于量子糾錯的研究。最近，他們開發了近似量子糾錯和量子躍遷跟蹤的方法，首次展示了通過近似玻色量子糾錯編碼來增強量子精密測量的精度。

 

 

 

圖1： 實驗系統示意圖

    實驗樣品由一個超導量子比特分別和兩個微波諧振腔耦合組成（如圖1所示），兩個微波諧振腔中壽命高的作為探測腔，壽命低的作為接收腔。實驗中先將探測腔內的光場態制備到不同光子態的疊加態上，該狀態是一個典型的奇異量子態；再用接收腔接收外界信號源發射的微波信號，通過兩個腔之間的相互作用，探測腔內光場疊加態的相對相位會隨著時間積累；最后，通過讀取探測腔內光場態的相位信息，可以測得接收腔內微波信號強度。同時，在探測過程中，為了抵抗環境噪聲引起的接收腔內光場疊加態的退相干影響，他們在單次實驗中多次使用了近似量子糾錯操作并能跟蹤錯誤發生的次數，從而增強了該量子精密測量方案可達到的測量靈敏度（如圖2所示）。

 

 

圖2：通過量子態|1>和|7>的疊加態實現了相比二能級系統的測量靈敏度提升

    該實驗是近年來首次將玻色量子糾錯碼用于增強量子精密測量的工作，證明了量子糾錯可以用于提升量子精密測量的性能。該方案可以擴展到離子阱系統和新興的量子聲學平臺。不同于量子糾錯在量子信息存儲方面的傳統應用，該實驗所展示的利用近似量子糾錯來增強量子精密測量的精度是近期量子應用的新概念，并為未來量子精密測量和量子糾錯結合的研究提供了新思路。

    清華大學交叉信息研究院王韋婷博士、中科大2021級博士生陳子杰、清華大學交叉信息研究院2018級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、鄒長鈴研究員和孫麓巖副教授。其他作者還包括蔡偉州、馬雨瑋、穆相豪、潘嘯軒、華子越、胡玲、徐源、王海艷、宋祎璞、鄒旭波等。此項目得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、量子通信與量子計算機重大項目安徽省引導性項目、清華大學國強研究院、博士后基金等支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30410-8