量子接收器是量子信息处理任务中的基本组件。它旨在从非正交量子态中提取必要的信息。由于散粒噪声的性质，电磁波携带的信号在遭受严重损失后会表现出非正交的量子特征，例如在星际通信过程中。因此，量子接收器是唯一能够以低于散粒噪声极限的错误率解码这些微弱信号的设备。
然而，传统的量子接收器设计容易受到噪声的影响。此外，解析优化一个合适的解码逻辑的计算成本是巨大的。因此，只有少数量子接收器被设计用于解码基本代码，而且它们的性能仍不理想。
在《光:科学与应用》上发表的一篇新论文中，由亚利桑那大学和密歇根大学 Zheshen Zhang 副教授领导的一组研究人员和合著者开发了一种通过自适应学习技术增强的量子接收器(简称QREAL)。通过强化学习的概念，升级后的量子接收机现在可以自我引导，并可以在存在噪声的情况下迭代获得更好的性能。
图：a，由N轮处理组成的通用量子接收器的硬件。第 j 轮处理需要由参数集 、辅助状态 ρ ̂_(s_j)和测量设备 M_j 配置的酉运算 U ̂_j 表示的变分量子电路。b、控制逻辑由决策树和决策表组成。蓝线显示了一种可能的输出路径。量子接收器输出 y 由测量结果序列确定，与决策树中的唯一路径相关联。c，由四个模块（顺时针方向）组成的 QREAL 公式作为学习过程中的一次迭代。由 QREAL 公式优化器优化的控制逻辑被编译并内置到经典处理器中。
QREAL 架构包括三个功能核心：硬件、控制逻辑和配方器。硬件基于锁相 Mech-Zehnder 干涉仪、超导单光子探测器和经典处理器。因此，优化的设置保证了创纪录的约 85% 的整体效率和超过 99.7% 的鲁棒干扰可见性。
加载了控制逻辑，经典处理器处理所有硬件电子设备。控制逻辑包含用于实时解码信号的决策树和决策表，制定者通过数百次优化和仿真迭代学习这些知识。“考虑到硬件模型、目标量子信息任务和可能的噪声源，QREAL 旨在以尽可能低的错误率有效地学习解码协议。”
在实验中，研究人员展示了其学习正确解码协议并自动适应噪声的能力。实验结果证实，与传统设计方法相比，性能提高了 15% 左右，错误率比最好的经典接收器降低了 40%。
对于解码二进制相移键控，QREAL实现了低于2%的误码率，每个代码少于一个光子，这允许在如此低的信号功率下进行纠错和通信。他们还对 QREAL 进行了测试，以寻找用于解码具有六个码字的正交幅度调制信号的最佳协议。“据我们所知，这是量子接收器首次在字母表大于4的情况下显示出优势。”
由于不再需要研究人员驾驶该平台，QREAL 可以在无人机平台中实施，以用于火星任务等实际目的。此外，由于其在抑制噪声模式方面的改进性能，QREAL 框架也可能有利于其他嘈杂的中等规模量子平台。“它可能成为量子接收器设计的新范式，”科学家们说。
原文链接：https://phys.org/news/2022-12-quantum.html
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