南加州大学开发了一种新型量子传感技术，克服量子传感障碍新协议抵消了退相干的限制
发布时间：2025-04-30 14:44:08 阅读数： 555
发表在《自然-通讯》上的一项研究显示，研究人员展示了一种新的量子传感技术，这种技术大大超越了传统方法，有可能加速从医学成像到基础物理学研究等领域的进步。
几十年来，量子传感器的性能一直受到退相干的限制，而退相干是由环境噪声引起的不可预测行为。
这项研究的资深作者、南加州大学多恩西弗文学、艺术和科学学院物理学和天文学副教授、南加州大学维特比工程学院电子和计算机工程副教授伊莱-莱文森-福尔克（Eli Levenson-Falk）说：“退相干会导致量子系统的状态变得随机混乱，从而抹去任何量子传感信号。”
由于退相干，量子比特状态会向球体的“北极”衰减。研究人员利用本研究中的相干稳定传感协议，暂时抵消了这种衰减，导致本研究协议（蓝色）中的传感信号（y 分量）比标准协议（红色）中更大。
量子传感是利用量子系统（如原子、光粒子或量子比特）作为传感器，以极高的精度测量物理量（如大脑活动、超精密时钟或重力异常），其精度往往超过经典传感器的极限。传感设备利用量子特性（如叠加、纠缠和相干性）来探测微小信号，否则这些信号就会被噪声淹没。
南加州大学多恩西弗分校物理学博士生、该研究的第一作者马利达-赫希特说：“把它想象成在嘈杂的空间中聆听微弱的耳语。量子传感设备能探测到那些太小或太微弱，普通测量工具无法察觉的东西。”
用新的相干稳定协议抵消退相干性
在这项新研究中，研究小组通过在实验的量子比特上使用一种新的预定相干稳定协议，暂时解决了长期存在的退相干问题，稳定了量子态的一个关键特性。
这项研究的方案基于共同作者丹尼尔-利达（ Daniel Lidar）（南加州大学维特比工程学教授、化学、物理和天文学教授）和库马尔-索拉夫（Kumar Saurav）（南加州大学维特比分校电气工程博士生）提出的理论。
这项实验大大改进了量子系统中微小频移的测量。莱文森-福尔克（Levenson-Falk ）说，这项研究的相干稳定传感协议允许以量子态变化为形式的传感信号比标准协议传感测量的信号更大。
这种稳定性对于检测微妙信号至关重要的应用至关重要。莱文森-福尔克（Levenson-Falk ） 说：“更大的信号更容易被探测到，从而提高了灵敏度。”
“我们的研究给出了迄今为止检测量子比特频率的最佳灵敏度。最重要的是，我们的协议不需要反馈，也不需要额外的控制或测量资源，因此可以立即适用于各种量子计算和量子传感器技术?！?/p>
感知能力提高 165%
实验测量的信号改善率R v (ai) 和R s (bi) 作为初始状态的函数，在理论预测稳定和拉姆齐数据的最大信号时进行测量。误差线是根据多次测量中该比率的方差计算得出的。虚线是理论预测，而非拟合值，表明一致性良好。底行：数值模拟的改进率R v ( a .ii) 和R s ( b .ii) 与初始状态和T 1 / T 2比率的关系，失谐较小。图中还显示了数值模拟（标记）和分析得出的（虚线）改进率R v ( a .iii) 和R s ( b .iii) 在最佳初始状态下与T 1 / T 2的关系。
研究人员在超导量子比特上演示了他们的协议，与称为拉姆齐干涉测量法的标准协议相比，每次测量的效率提高了 1.65 倍。理论分析表明，在某些系统中，测量效率可能提高 1.96 倍。
莱文森-福尔克（Levenson-Falk ）表示，他的稳定状态传感实验演示表明，有办法改进量子传感器，而无需诉诸实时反馈或纠缠多个传感器等复杂技术。
“这也表明，我们还没有从这些类型的测量中提取出所有可能的信息?；褂懈玫拇行?，我们可以利用它们对现实世界产生直接影响。”
