量子研究取得突破性进展

南加州大学的研究人员展示了一种新的量子传感技术，该技术远远超过了传统方法，可能在从医学成像到基础物理学研究等多个领域加速进展。这项新研究于周二发表在《自然通讯》杂志上。

几十年来，量子传感器的性能一直受到退相干的影响，这是由环境噪声引起的不可预测的行为。“退相干会导致量子系统状态随机混乱，从而消除任何量子传感信号，”该研究的资深作者、南加州大学Dornsife文理学院物理与天文学副教授及Viterbi工程学院电气与计算机工程副教授Eli Levenson-Falk表示。

量子传感是利用原子、光子或量子比特等量子系统作为传感器，以极高的精度测量物理量（如脑活动、超高精度时钟或重力异常），通常超过经典传感器的极限。传感设备利用量子特性——如叠加态、纠缠态和相干态——来检测那些会被噪声淹没的微小信号。

“可以将其想象成在嘈杂的空间中试图听到一个微弱的耳语，”该研究的第一作者、南加州大学Dornsife文理学院物理学博士生Malida Hecht说。“量子传感设备能够检测到普通测量工具无法察觉的小而微弱的事物。”

用新的相干稳定协议对抗退相干

在这项新研究中，研究团队通过在其实验的量子比特上使用一种新的预设相干稳定协议，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属性。该研究的协议基于共同作者Daniel Lidar（Viterbi工程教授，南加州大学电气与计算机工程、化学、物理与天文学教授）和Kumar Saurav（南加州大学Viterbi工程学院电气工程博士生）提出的理论。这个实验显著提高了对量子系统中小频率偏移的测量能力。Levenson-Falk表示，该研究的相干稳定传感协议使传感信号（表现为量子态的变化）比标准协议下的测量更大。

由于退相干，量子比特状态会衰减到球体的“北极”。通过使用该研究的相干稳定传感协议，研究人员暂时抵消了这种衰减，导致研究协议（蓝色）中的传感信号（y分量）比标准协议（红色）更大。（USC插图/Eli Levenson-Falk）

这种稳定对于需要检测微妙信号的应用至关重要。“更大的信号更容易被检测到，从而提高了灵敏度，”Levenson-Falk说。“我们的研究为检测量子比特频率提供了迄今为止最好的灵敏度。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，使其立即适用于各种量子计算和量子传感器技术。”

传感能力显著提高

研究人员在一个超导量子比特上展示了他们的协议，实现了比标准拉姆齐干涉法高1.65倍的每测量效能。理论分析表明，在某些系统中，潜在的改进可达1.96倍。

Levenson-Falk表示，他的实验演示了使用稳定状态进行传感，这表明有方法可以在不依赖复杂技术（如实时反馈或纠缠多个传感器）的情况下改进量子传感器。“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。还有更好的传感协议存在，我们可以利用它们立即产生实际影响。”

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