原子钟是人类有史以来建造的最好的传感器。今天，它们应用于国家标准机构或导航系统的卫星中。世界各地的科学家都在努力进一步优化这些时钟的精度。现在，由奥地利因斯布鲁克大学理论物理学家、墨子量子奖获得者Peter Zoller领导的一个研究团队开发了一个新概念，该概念可用于以更高的精度操作传感器，而与制造传感器的技术平台无关。

Zoller团队的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的Denis Vasilyev和Raphael Kaubrügger说：“我们回答了传感器在现有控制能力下的精度问题，并给出了实现方法。”

Vasilyev和Kaubrügger解释说：“我们将这种技术应用于计量学中的一个问题——测量科学。”Zoller也表示：“这是令人兴奋的，因为历史上原子物理学的进步是由计量学推动的，而量子信息处理正是由此产生的。所以，我们在这里兜了一圈。”

Peter Zoller说：“借助新方法，科学家可以优化量子传感器，使其达到技术上允许的最佳精度。”

自校准可编程量子传感器

很长一段时间以来，人们一直认为，原子钟可以通过利用量子力学纠缠可以更准确地运行。然而，对于此类应用，缺乏实现鲁棒纠缠的方法。因斯布鲁克物理学家现在正在使用量身定制的纠缠，该纠缠已精确调整到现实世界的要求。通过他们的方法，他们准确地生成了由量子状态和测量值组成的组合，这对于每个单独的量子传感器都是最佳的。这使得传感器的精度可以根据自然法则接近可能的最佳值，而开销仅略有增加。

因斯布鲁克大学实验物理系的 Christian Marciniak 说：“在量子计算机的开发过程中，我们已经学会了创建定制的纠缠态。我们现在正利用这一知识来制造更好的传感器。”

用传感器展示量子优势

这个理论概念现在首次在因斯布鲁克大学实践中实施，由 Thomas Monz 和 Rainer Blatt 领导的研究小组在《自然》杂志上展示了这一研究结果。物理学家在他们的离子阱量子计算机上基于变分量子计算进行频率测量。由于线性离子阱中使用的相互作用在经典计算机上仍然相对容易模拟，因此理论同事能够在因斯布鲁克大学的超级计算机上检查必要的参数。尽管实验设置绝不是完美的，但结果与理论预测值惊人地吻合。由于此类模拟并非对所有传感器都可行，因此科学家们展示了第二种方法：他们使用方法在没有先验知识的情况下自动优化参数。“与机器学习类似，可编程量子计算机作为高精度传感器自主找到最佳模式，”实验物理学家Thomas Feldker在描述其基本机制时说。

Peter Zoller说:“我们的概念使得在一个实际相关的问题上展示量子技术相对于经典计算机的优势成为可能。我们用变分Ramsey干涉测量法演示了量子增强型原子钟的一个关键组成部分。下一步是在专用的原子钟中运行它。能够在不久的将来用可编程量子传感器展示量子优越性。”

研究结果发表在《自然》和《物理评论 X 》杂志上。

论文参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04435-4

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041045

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