量子传感新技术“攻克”退相干难题

由于退相干，量子比特状态向球体的“北极”衰减。利用本研究中的相干稳定传感协议，研究人员暂时抵消了这种衰减，导致本研究协议（蓝色）中的传感信号（y分量）比标准协议（红色）中更大。图片来源：美国南加州大学

科技日报北京4月29日电 （记者张佳欣）据29日《自然·通讯》杂志报道，美国南加州大学的研究人员展示了一种新型量子传感技术，可借助新的相干稳定协议对抗量子退相干。其性能大幅超越传统方法，有望推动从医学成像到基础物理研究等多个领域的进步。

量子传感是指利用量子系统（如原子、光子或量子比特）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），其精度往往超越经典传感器的极限。但几十年来，量子传感器的性能一直受到退相干的限制。退相干是由环境噪声引发的一种不可预测的行为。退相干会使量子系统的状态随机紊乱，从而抹除一切量子传感信号。

新研究中，团队在实验中的量子比特上采用一种新的预定相干稳定协议（即为了保持量子态稳定、提高测量精度而设计的一整套操作流程），暂时克服了长期以来存在的退相干问题，稳定了量子态的一项关键特性。

该实验显著提高了对量子系统中微小频率偏移的测量精度。研究中的相干稳定传感协议使传感信号能够比使用标准协议传感测量时变得更大。这种稳定性对于检测微弱信号至关重要。

该研究在检测量子比特频率方面，达到了迄今为止最高的灵敏度。更重要的是，这种协议无需反馈，也不需要额外的控制或测量资源，因此能立即应用于各种量子计算和量子传感技术。

团队在超导量子比特上演示这一协议，与被称为拉姆齐干涉测量法的标准协议相比，测量效率提高了1.65倍。理论分析表明，在某些系统中，该协议的潜在改进幅度最高可达1.96倍。演示实验表明，无需借助实时反馈或纠缠多个传感器等复杂技术，也能改进量子传感器。