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

近日，中国科学技术大学邹长铃研究组与清华大学交叉信息研究院孙麓岩研究组合作，在超导量子系统中首次利用玻色量子纠错编码来提升量子精密测量的灵敏度。相关成果在线发表于《自然•通讯》(Nature Communications)。

图片来自《自然•通讯》(Nature Communications)

上个世纪以来，测量精度的不断提高促进了生物、医学、天文、化学等各个领域的技术和研究发展。测量精度每提高一个分贝，都可能推动研究前沿，甚至可能开辟一个新研究领域。大多数精密测量利用自旋系综或玻色谐振子来探测微弱信号。其中，系综是指在一定的宏观条件下，大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。例如，激光引力波干涉天文台(LIGO)利用激光干涉仪来探测宇宙中的引力波引起的空间振动。

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，有望实现超越精密测量精度的经典极限。在过去十年中，量子精密测量在理论上得到广泛研究，科学家提出奇异量子态可以提高传感器的信息获取率，许多初步实验也展示了其在精密测量方面的潜力。然而，由于环境噪声引起的退相干影响，奇异量子态是脆弱的。与其它量子技术所面临的问题相同，量子优势也受到退相干影响，因此在实践中难以实现。尽管有研究人员提出可以通过量子纠错来保护量子态的相干性，但在实践中将量子纠错与量子精密测量结合起来极具挑战性。

近几年，清华大学量子信息中心超导量子课题组一直致力于量子纠错研究。此次，中科大邹长铃研究组与清华交叉信息院孙麓岩研究组开发了近似量子纠错和量子跃迁跟踪的方法，首次展示了通过近似玻色量子纠错编码来增强量子精密测量的精度。其中，跃迁是指量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程。

图1：实验系统示意图，图片来自清华大学交叉信息研究院

前述实验中的样品由一个超导量子比特分别和两个微波谐振腔耦合而组成（如图1所示），两个微波谐振腔中寿命高的作为探测腔，寿命低的作为接收腔。研究人员先将探测腔内的光场态制备到不同光子态的叠加态上，该状态是一个典型的奇异量子态；再用接收腔接收外界信号源发射的微波信号，通过两个腔之间的相互作用，探测腔内光场叠加态的相对相位会随着时间积累；最后通过读取探测腔内光场态的相位信息，测得接收腔内微波信号强度。

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影响，前述团队在单次实验中多次使用了近似量子纠错操作，并能跟踪错误发生的次数，从而增强了其量子精密测量方案可达到的测量灵敏度（如图2所示）。

图2：通过量子态|1>和|7>的叠加态实现了相比二能级系统的测量灵敏度提升，图片来自清华大学交叉信息研究院

前述实验是近年来首次将玻色量子纠错码用于增强量子精密测量的工作，证明了量子纠错可以用于提升量子精密测量的性能。其方案可以扩展到离子阱系统和新兴的量子声学平台。量子声学是以量子力学和量子场论为基础的声学分支学科，研究固体中特超声和声波及声子的产生、检测和传播规律，声子与其他粒子和微观结构的相互作用，以及量子液体（液氦）中的声学现象等。

不同于量子纠错在量子信息存储方面的传统应用，前述实验所展示的利用近似量子纠错，来增强量子精密测量的精度是近期量子应用的新概念，并为未来量子精密测量和量子纠错结合的研究提供了新思路。其研究结果不仅揭示了量子信息技术在传感领域的潜在优势，而且促进了玻色量子技术的进一步研究。