使用糾纏原子的復(fù)雜計(jì)算方法可以更精確地確定時(shí)間。來(lái)自?shī)W地利因斯布魯克的物理學(xué)家開(kāi)發(fā)了這種技術(shù)。圖片來(lái)源：因斯布魯克大學(xué)/Harald Ritsch

原子鐘是人類有史以來(lái)建造的傳感器。今天，它們可以在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)或?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星中找到。世界各地的科學(xué)家都在努力進(jìn)一步優(yōu)化這些時(shí)鐘的精度�，F(xiàn)在，由來(lái)自?shī)W地利因斯布魯克的理論家 Peter Zoller 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新概念，該概念可用于以更高的精度操作傳感器，而與制造傳感器的技術(shù)平臺(tái)無(wú)關(guān)。“我們回答了傳感器在現(xiàn)有控制能力下的精確度的問(wèn)題，并給出了如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法，”美國(guó)量子光學(xué)和量子信息研究所 Peter Zoller 小組的 Denis Vasilyev 和 Raphael Kaubrügger 解釋道。奧地利科學(xué)院在因斯布魯克。

為此，物理學(xué)家使用了一種來(lái)自量子信息處理的方法：變分量子算法描述了一個(gè)依賴于自由參數(shù)的量子門電路。通過(guò)優(yōu)化程序，傳感器自動(dòng)找到設(shè)置以獲得結(jié)果。“我們將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)量學(xué)的一個(gè)問(wèn)題——測(cè)量科學(xué)，”Vasilyev 和 Kaubrügger 解釋道�！斑@令人興奮，因?yàn)樵�子物理學(xué)的歷史進(jìn)步是由計(jì)量學(xué)推動(dòng)的，而量子信息處理又由此產(chǎn)生。所以，我們?cè)谶@里繞了一圈，”彼得佐勒說(shuō)。借助新方法，科學(xué)家可以優(yōu)化量子傳感器，使其達(dá)到技術(shù)上允許的精度。

無(wú)需額外努力即可獲得更好的測(cè)量結(jié)果

一段時(shí)間以來(lái)，人們認(rèn)為原子鐘通過(guò)利用量子力學(xué)糾纏可以更準(zhǔn)確地運(yùn)行。然而，對(duì)于此類應(yīng)用，缺乏實(shí)現(xiàn)魯棒糾纏的方法。因斯布魯克物理學(xué)家現(xiàn)在正在使用量身定制的糾纏，該糾纏已精確調(diào)整到現(xiàn)實(shí)世界的要求。通過(guò)他們的方法，他們準(zhǔn)確地生成了由量子狀態(tài)和測(cè)量值組成的組合，這對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的量子傳感器都是良好的。這使得傳感器的精度可以根據(jù)自然法則接近可能的值，而開(kāi)銷僅略有增加�！霸诹孔佑�(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了創(chuàng)建定制的糾纏態(tài)，”因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系的 Christian Marciniak 說(shuō)。"

用傳感器展示量子優(yōu)勢(shì)

這一理論概念現(xiàn)在在因斯布魯克大學(xué)首次在實(shí)踐中實(shí)施，由 Thomas Monz 和 Rainer Blatt 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在在《自然》雜志上報(bào)道. 物理學(xué)家在他們的離子阱量子計(jì)算機(jī)上基于變分量子計(jì)算進(jìn)行頻率測(cè)量。由于線性離子阱中使用的相互作用在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上仍然相對(duì)容易模擬，因此理論同事能夠在因斯布魯克大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上檢查必要的參數(shù)。盡管實(shí)驗(yàn)設(shè)置絕不是完美的，但結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值驚人地吻合。由于此類模擬并非對(duì)所有傳感器都可行，因此科學(xué)家們展示了第二種方法：他們使用方法在沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)的情況下自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)�！芭c機(jī)器學(xué)習(xí)類似，可編程量子計(jì)算機(jī)作為高精度傳感器自主找到模式，”實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Thomas Feldker 說(shuō)，

“我們的概念使得證明量子技術(shù)在實(shí)際相關(guān)問(wèn)題上優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)成為可能，”Peter Zoller 強(qiáng)調(diào)說(shuō)。“我們已經(jīng)用我們的變分拉姆齊干涉法證明了量子增強(qiáng)原子鐘的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。下一步是在專用的原子鐘中運(yùn)行它。到目前為止，僅顯示用于有問(wèn)題的實(shí)際相關(guān)性的計(jì)算現(xiàn)在可以用不久的將來(lái)可編程量子傳感器——量子優(yōu)勢(shì)。”

結(jié)果發(fā)表在《自然》和《物理評(píng)論 X 》雜志上。