研究人员开发了设计量子传感器的通用框架

在玻色子QSP干涉测量（QSPI）协议中，量子比特测量如何在玻色子正交算子x^上的多项式变换和通过QSPI β的传感参数上的多项式变换之间实现对偶性。图片来源：Quantum（2024 年）。DOI：

10.22331/q-2024-07-30-1427

来自北卡罗来纳州立大学和麻省理工学院的研究人员设计了一种利用量子传感器能力的协议。该协议可以使传感器设计人员能够微调量子系统以感应感兴趣的信号，从而创建出比传统传感器敏感得多的传感器。

一篇描述这项工作的论文发表在《量子》杂志上。

“量子传感显示出更强大的传感能力的前景，可以接近量子力学定律设定的基本极限，但挑战在于能够引导这些传感器找到我们想要的信号，”北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程和计算机科学助理教授Yuan Liu说。刘曾是麻省理工学院的博士后研究员。

“我们的想法受到电气工程师经常使用的经典信号处理滤波器设计原则的启发，”Liu说。“我们将这些滤波器设计推广到量子传感系统，这使我们能够通过将无限维量子系统与简单的两能级量子系统耦合来'微调'它。

具体来说，研究人员设计了一个算法框架，将量子比特与玻色子振荡器耦合。量子比特或量子比特是量子计算与经典计算比特的对应物——它们存储量子信息，并且只能处于两个基态的叠加状态：├ |0⟩、├ |1⟩。玻色子振荡器是经典振荡器的量子类似物（想想钟摆的运动），它们具有与经典振荡器相似的特征，但它们的状态并不局限于仅由两个基态组成的线性组合，它们是无限维系统。

“操纵无限维传感器的量子态很复杂，所以我们从简化问题开始，”刘说。“我们没有试图计算出我们目标的数量，而是只问一个决策问题：目标是否具有属性X。然后，我们可以设计振荡器的操作来反映这个问题。

通过将无限维传感器耦合到二维量子比特并操纵该耦合，传感器可以调谐到感兴趣的信号。干涉测量法用于将结果编码为量子比特状态，然后对其进行测量以进行读出。

“这种耦合为我们提供了一个控制玻色子振荡器的手柄，因此我们可以使用多项式函数（描述波形的数学）来设计振荡器的波函数以呈现特定的形状，从而将传感器调谐到感兴趣的目标，”Liu说。

“一旦信号发生，我们就会撤销整形，这会在无限维系统中产生干扰，该干扰会作为可读结果返回 - 由振荡器和底层信号的原始多项式变换确定的多项式函数 - 在量子比特的两能级系统中。换句话说，我们最终得到了一个“是”或“否”的答案，即我们正在寻找的东西是否在那里。最好的部分是，我们只需要测量一次量子比特来提取答案——这是一种'单次'测量。

研究人员认为，这项工作为为各种量子传感器设计量子传感协议提供了一个通用框架。

“我们的工作是有用的，因为它以一种相当简单的方式利用了领先的量子硬件（包括俘获离子、超导平台和中性原子）中现成的量子资源，”刘说。“这种方法可以作为信号存在的警报或指示器，而无需昂贵的重复测量。这是一种从无限维度系统有效提取有用信息的强大方法。

麻省理工学院的研究生Jasmine Sinanan-Singh和Gabriel Mintzer是该研究的共同第一作者。麻省理工学院物理、电气工程和计算机科学教授Isaac L. Chuang也为这项工作做出了贡献。