量子比特是量子计算机的基本数据单元，也可以被用作量子传感器，这可能会带来更好的导航、资源勘探和计时等应用方法。近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的理论物理学家发现了一种潜在的方法，通过设计一组相互连接或“纠缠”的量子比特，以保护它们免受温度变化等环境干扰或“噪声”的影响。尽管这些纠缠的量子比特会失去一些潜在的灵敏度，但它们对噪声的抵抗力也更强，使其成为现实世界中量子传感器的一个有前景的研究方向。
噪声令人烦恼，无论你是在试图入睡还是利用量子物理定律。尽管环境干扰产生的噪声将永远与我们相伴，但包括美国国家标准与技术研究院（NIST）科学家在内的一个团队可能已经找到了一种在量子物理主导的微观尺度上应对噪声的新方法。解决这种噪声问题可能会使制造出有史以来最好的传感器成为可能，其应用范围涵盖医疗保健到矿产勘探等多个领域。
通过利用量子叠加和纠缠等量子现象，研究人员可以测量环境中的细微变化，这些变化对地质学和GPS等各个领域的研究工作都很有意义。但要做到这一点，他们必须能够透过由环境源（如杂散磁场）引起的噪声来检测例如大脑发出的重要信号。
该团队的理论解决方案给出了如何在将量子比特用于传感任务之前提前设计一组称为量子比特的量子对象（也称为量子计算机中的数据单位）。该团队发现，如果只纠正其中的一些错误，传感器在面对噪声时会变得更加稳健，而不是以一种能够纠正纠缠量子比特所经历的所有错误的方式来准备这个群体。纠缠的量子比特群体在这个过程中会失去一些灵敏度，但这种权衡是值得的，因为传感器的性能仍然优于未纠缠的量子比特。
“通常在量子纠错中，你希望完美地纠正错误，”论文作者之一、曾在联合量子信息与计算机科学中心（QuICS）担任量子纠错模拟研究所（RQS）博士后的 Cheng-Ju（Jacob）Lin 说，该中心是 NIST 和马里兰大学的联合研究所。“但因为我们是将其用于传感器这个应用场景，所以我们只需要大致地纠正它，而不是严格的纠正它。只要你按照我们发布的方法配置你的量子传感器，就能保护你的传感器。”
量子比特可以存在于多种能量状态，例如高能态和低能态，但它们也可以存在于 “叠加态”中，就好像它们同时处于所有这些状态一样。这种“叠加态”特性不仅是使量子计算机可以解决传统计算机难以处理的问题，而且也使量子比特对其环境中的微小变化（如微弱磁场的存在）高度敏感，这将显著影响量子比特的能量状态。像这样的量子增强测量技术可以实现比传统传感方法更高的精度，使其在导航等应用中非常有用。
但通过使用被称为纠缠的另一种量子特性，量子比特可以变得更加敏感，这是一种多个物体具有相互关联的量子态的现象。当一组量子比特纠缠在一起时，每个量子比特不仅能直接感知信号，还可以通过与其他量子比特的链接来感知信号，从而使其环境感知的能力被放大——这个群体比未纠缠的量子比特在感知环境细微变化方面表现得更好。
增加纠缠量子比特的数量也会显著提高群体的能力。例如，与处于叠加态的单个量子比特相比，100个未纠缠的量子比特的灵敏度会高出10倍，但100个纠缠的量子比特的灵敏度将高出100倍。
问题在于，纠缠量子比特通常需要完全隔离于环境变化（如机械振动或温度变化）。这些环境变化的干扰会产生量子技术研究人员所说的噪声——这是量子计算机和量子传感等共同面临的长期问题。
该团队设计的新方法配置了一组特殊的纠缠量子比特，以便它们能够容忍一些与噪声相关的错误。在借鉴他人实验观测数据的基础上，该团队使用了量子纠错码——一种用于纠正量子计算机中损坏数据的技术——使这组纠缠的量子比特群体在面对噪声时变得更加稳健。
“在分析这些纠错码时，我们发现有一类纠错码可以保护纠缠传感器，”Lin说。“这种特殊的纠错码使纠缠的量子比特能够比未纠缠的量子比特以更高的精度检测磁场，即使其中一些纠缠的量子比特因噪声引起的相关错误而损坏。”
虽然其他团队的实验已经得到了类似的结果，但Lin表示，他们团队发表的研究论文为这些发现提供了更为严谨的数学基础。
“尽管技术专家可能需要一些时间才能制造出这些新型的传感器，并推广它们。”他说。“但科学界对量子力学的理解已经足够好，以至于我们相信这些研究成果将很快在实践中得到检验，我们希望相关技术的研究人员都能在实验室对其进行测试。”
关于这种新发现的详细描述已发布在《Physical Review Letters》上，这一成果将使量子物体（如原子）组成的相互连接的群体能够在噪声存在的情况下更好地感知环境。一群未连接的量子物体已经能够胜过传统传感器。通过量子纠缠的过程将它们链接起来，可以使它们表现得更好。然而，形成量子纠缠的群体可能会使其容易受到导致错误的环境噪声的影响，从而使其失去特殊的环境感知优势。（DOI: 10.1103/dttc-ksdn）
