近日，中國科學技術大學鄒長鈴研究組與清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組合作，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。相關成果在線發表于《自然?通訊》(Nature Communications)。

圖片來自《自然?通訊》(Nature Communications)

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發展。測量精度每提高一個分貝，都可能推動研究前沿，甚至可能開辟一個新研究領域。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。其中，系綜是指在一定的宏觀條件下，大量性質和結構完全相同的、處于各種運動狀態的、各自獨立的系統的集合。例如，激光引力波干涉天文臺(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。

隨著量子信息技術的發展，科學家認為，憑借獨特的量子效應，有望實現超越精密測量精度的經典極限。在過去十年中，量子精密測量在理論上得到廣泛研究，科學家提出奇異量子態可以提高傳感器的信息獲取率，許多初步實驗也展示了其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，奇異量子態是脆弱的。與其它量子技術所面臨的問題相同，量子優勢也受到退相干影響，因此在實踐中難以實現。盡管有研究人員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。

近幾年，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研究。此次，中科大鄒長鈴研究組與清華交叉信息院孫麓巖研究組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。其中，躍遷是指量子力學體系狀態發生跳躍式變化的過程。

圖1：實驗系統示意圖，圖片來自清華大學交叉信息研究院

前述實驗中的樣品由一個超導量子比特分別和兩個微波諧振腔耦合而組成（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。研究人員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，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，前述團隊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，從而增強了其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，圖片來自清華大學交叉信息研究院

前述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。其方案可以擴展到離子阱系統和新興的量子聲學平臺。量子聲學是以量子力學和量子場論為基礎的聲學分支學科，研究固體中特超聲和聲波及聲子的產生、檢測和傳播規律，聲子與其他粒子和微觀結構的相互作用，以及量子液體（液氦）中的聲學現象等。

不同于量子糾錯在量子信息存儲方面的傳統應用，前述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。其研究結果不僅揭示了量子信息技術在傳感領域的潛在優勢，而且促進了玻色量子技術的進一步研究。