我国科学家首次利用玻色量子纠错码提升量子精密测量灵敏度

最近几天，中国科学技术大学邹长岭研究组与清华大学交叉信息研究院孙鲁彦研究组合作，在超导量子系统中首次利用玻色量子纠错编码提高了量子精密测量的灵敏度相关结果在线发表在《自然通讯》上

自上世纪以来，测量精度的不断提高促进了生物，医学，天文学，化学等领域的技术和研究的发展测量精度每提高一分贝，都可能推进研究前沿，甚至开辟新的研究领域大多数精密测量使用自旋系综或玻色谐振子来检测弱信号其中，系综是指大量具有相同性质和结构，在一定宏观条件下处于各种运动状态的独立系统的集合比如激光引力波干涉天文台，利用激光干涉仪探测宇宙中引力波引起的空间振动

伴随着量子信息技术的发展，科学家认为凭借独特的量子效应，有望实现超越经典极限的精密测量精度在过去的十年里，量子精密测量在理论上得到了广泛的研究科学家提出奇异量子态可以提高传感器的信息获取率，许多初步实验也证明了它在精密测量方面的潜力但是，由于环境噪声引起的退相干，奇异量子态是脆弱的和其他量子技术一样，量子优势也会受到退相干的影响，因此在实践中很难实现虽然有研究者提出量子纠错可以保护量子态的相干性，但是在实际应用中将量子纠错和量子精密测量结合起来是非常具有挑战性的

最近几年来，清华大学量子信息中心超导量子研究组一直致力于量子纠错的研究此次，中国科大邹长岭研究组和清华交叉信息学院孙鲁彦研究组开发了近似量子纠错和量子跃迁追踪方法，首次论证了近似玻色量子纠错编码可以增强量子精密测量的精度其中，跃迁是指量子力学系统状态发生跳跃式变化的过程

上述实验中的样品由一个超导量子位与两个微波谐振腔耦合而成，其中长寿命的作为探测腔，短寿命的作为接收腔研究人员首先将探测腔内的光场态制备成不同光子态的叠加态，这是典型的奇异量子态，然后，外部信号源发射的微波信号被接收腔接收通过两个腔的相互作用，探测腔内光场叠加态的相对相位会随时间积累最后，通过读取探测腔内光场态的相位信息，测量接收腔内的微波信号强度

同时，在探测过程中，为了抵抗环境噪声引起的接收腔内光场叠加态的退相干，前述团队在单次实验中多次使用近似量子纠错运算，并能跟踪误差的个数，从而增强了其量子精密测量方案所能达到的测量灵敏度。

上述实验是最近几年来首次使用玻色量子纠错码来增强量子精密测量，证明了量子纠错可以用来提高量子精密测量的性能该方案可以扩展到离子阱系统和新兴的量子声学平台量子声学是基于量子力学和量子场论的声学分支它研究超声波和声子在固体中的产生，探测和传播，声子与其他粒子和微结构的相互作用，以及量子液体中的声学现象

与量子纠错在量子信息存储中的传统应用不同，上述实验表明，利用近似量子纠错来增强量子精密测量的精度是近期量子应用的一个新概念，为今后量子精密测量与量子纠错相结合的研究提供了一个新思路研究成果不仅揭示了量子信息技术在传感领域的潜在优势，也推动了玻色量子技术的进一步研究