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QC资讯丨量子增强的磁场感应

一个国际物理学家团队已经证明,最初在量子计算环境中开发的算法和硬件可以用于量子增强的磁场感应。

 

量子科学和技术领域经历着一场日益激烈的活动。目前的头条新闻主要是关于建立量子计算机的进展报告,这些计算机在特定的计算任务中胜过经典计算机。该任务的一个关键挑战是提高基本构建块(量子比特)的质量和数量,量子比特可以相互连接以执行集体量子计算。预计“量子优势(quantum advantage)”出现的基准是50个左右的量子比特,这个目标即将出现。苏黎世联邦理工学院物理学家Andrey Lebedev和Gianni Blatter,与芬兰和俄罗斯的同事一起推动了另一条路线,该团队突出了另一个技术分支,其中量子器件具有独特的优势,并且具有相当多的适度硬件资源。在《自然物理杂志-量子信息》中,该团队展示了他们使用单个量子比特以高灵敏度测量磁场的实验,采用“量子技巧”来突破极限。

QC资讯丨量子增强的磁场感应

概率分布(在研究工作中使用的两种算法以红色和蓝色显示)在算法的连续步骤中缩小,从而精确识别磁通量值。绿色曲线是标准量子极限分布,背景是器件的干涉图案特征。图片来源:阿尔托大学的Sergey Danilin和Sorin Paraoanu

 

在该团队的研究工作中,他们使用基于超导电路的量子比特。所谓的transmon qubit,它是目前大型量子计算机构建模块的主要候选者之一,尤其是因为它为设计电路提供了许多自由。阿尔托大学(芬兰)的研究人员现在已经利用了这种灵活性,并在配置中构建了一个transmon qubit,使其特别适合于感应磁场。实质上,他们构造了一个人造原子,其固有磁矩比天然原子或离子大约100000倍。然后,该大磁矩与外部磁场的耦合使得可以精确地测量场的强度。

除了提供与磁场的强耦合之外,transmon qubit还具有量子系统的定义性质:量子态的相干叠加。在基于量子比特的磁力计中,两个状态之间的相干性以与穿透器件的磁场成比例的频率振荡。并且,可以测量频率——或波函数相位变化的速率——的准确度越高,传感器的灵敏度越高。

为了最大限度地提高测量精度,在苏黎世联邦理工学院Andrey Lebedev和Gianni Blatter,以及莫斯科物理科学与技术学院(MITP)和莫斯科Landau理论物理研究所的同事的理论工作指导下,该团队实施了两个专门的相位估计方案,明确利用量子比特动态的连贯性。他们的策略是以自适应方式执行测量,根据先前测量的结果改变采样参数。这种“贝叶斯推理(Bayesian inference)”使得团队在他们的实验中达到的灵敏度比经典相位估计所能达到的灵敏度高出六倍。虽然仍有很大的改进空间,但“量子提升(quantum boost)”已足以击败散粒噪音,这限制了任何标准的经典测量的精度。

在 transmon实验中使用的相位估计算法是已经开发用于量子计算的方案的适当版本。类似地,这些实验中使用的硬件设计借鉴了量子计算机构建量子比特的经验。在量子传感的背景下利用量子硬件和量子算法的这种组合为新型器件提供了一条相当引人注意的途径,最终有望将单量子比特或少量子比特磁力计的灵敏度推向并超越当前磁场传感器的极限。

 

 

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