物理学家报告第一个可编程量子传感器

　　时间可以通过纠缠原子上的复杂计算方法更精确地确定。来自奥地利因斯布鲁克的物理学家已经开发出这种技术。图片来源：因斯布鲁克大学/哈拉尔德里奇
　　原子钟是人类有史以来最好的传感器。今天，它们可以在国家标准机构或导航系统卫星中找到。世界各地的科学家正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的理论家Peter Zoller领导的一个研究小组开发了一个新概念，可用于以更高的精度操作传感器，无论使用哪个技术平台来制造传感器。＂我们回答了传感器在现有控制能力下可以达到的精确度的问题，并给出了如何实现这一目标的配方，＂来自奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的Peter Zoller小组的Denis Vasilyev和Raphael Kaubrügger解释说。
　　为此，物理学家使用了一种来自量子信息处理的方法：变分量子算法描述了依赖于自由参数的量子门电路。通过优化例程，传感器可以自主找到最佳设置，从而获得最佳结果。＂我们将这项技术应用于计量学中的一个问题 - 测量科学，＂Vasilyev和Kaubrügger解释说。＂这是令人兴奋的，因为原子物理学的历史进步是由计量学推动的，反过来量子信息处理也从中出现。所以，我们在这里走了一圈，＂Peter Zoller说。通过这种新方法，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。
　　无需额外努力即可获得更好的测量效果
　　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来更准确地运行。然而，缺乏实现此类应用的鲁棒纠缠的方法。因斯布鲁克的物理学家现在正在使用量身定制的纠缠，这些纠缠可以精确地调整到现实世界的要求。通过他们的方法，他们生成了由量子态和测量值组成的组合，这些组合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能够根据自然法则接近最佳水平，而开销仅略有增加。＂在量子计算机的发展中，我们已经学会了创建量身定制的纠缠状态，＂因斯布鲁克大学实验物理系的Christian Marciniak说。＂我们现在正在利用这些知识来制造更好的传感器。
　　通过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，正如托马斯·蒙茨和莱纳·布拉特领导的研究小组现在在 《自然》杂志上 报道的那样。物理学家在他们的离子阱量子计算机上根据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，因此该理论的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。虽然实验设置绝不是完美的，但结果与理论预测值非常吻合。由于这种模拟并非对所有传感器都可行，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地找到其最佳模式，＂实验物理学家Thomas Feldker在描述其基本机制时说。
　　＂我们的概念使得在具有实际意义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，＂Peter Zoller强调说。＂我们已经用我们的变分拉姆齐干涉测量法展示了量子增强原子钟的关键组成部分。下一步是在专用原子钟中运行它。到目前为止，对于实际相关性可疑的计算，现在只能在不久的将来用可编程量子传感器来证明 - 量子优势。
　　研究结果发表在《 自然》和 《 物理评论X》杂志上。