使用糾纏原子的復(fù)雜計算方法可以更精確地確定時間。來自奧地利因斯布魯克的物理學(xué)家開發(fā)了這種技術(shù)。圖片來源：因斯布魯克大學(xué)/Harald Ritsch

原子鐘是人類有史以來建造的傳感器。今天，它們可以在國家標準機構(gòu)或?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星中找到。世界各地的科學(xué)家都在努力進一步優(yōu)化這些時鐘的精度�，F(xiàn)在，由來自奧地利因斯布魯克的理論家 Peter Zoller 領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開發(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)平臺無關(guān)�！拔覀兓卮鹆藗鞲衅髟诂F(xiàn)有控制能力下的精確度的問題，并給出了如何實現(xiàn)這一點的方法，”美國量子光學(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)家使用了一種來自量子信息處理的方法：變分量子算法描述了一個依賴于自由參數(shù)的量子門電路。通過優(yōu)化程序，傳感器自動找到設(shè)置以獲得結(jié)果。“我們將這項技術(shù)應(yīng)用于計量學(xué)的一個問題——測量科學(xué)，”Vasilyev 和 Kaubrügger 解釋道。“這令人興奮，因為原子物理學(xué)的歷史進步是由計量學(xué)推動的，而量子信息處理又由此產(chǎn)生。所以，我們在這里繞了一圈，”彼得佐勒說。借助新方法，科學(xué)家可以優(yōu)化量子傳感器，使其達到技術(shù)上允許的精度。

無需額外努力即可獲得更好的測量結(jié)果

一段時間以來，人們認為原子鐘通過利用量子力學(xué)糾纏可以更準確地運行。然而，對于此類應(yīng)用，缺乏實現(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)實世界的要求。通過他們的方法，他們準確地生成了由量子狀態(tài)和測量值組成的組合，這對于每個單獨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，而開銷僅略有增加�！霸诹孔佑嬎銠C的開發(fā)過程中，我們已經(jīng)學(xué)會了創(chuàng)建定制的糾纏態(tài)，”因斯布魯克大學(xué)實驗物理系的 Christian Marciniak 說。"

用傳感器展示量子優(yōu)勢

這一理論概念現(xiàn)在在因斯布魯克大學(xué)首次在實踐中實施，由 Thomas Monz 和 Rainer Blatt 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在在《自然》雜志上報道. 物理學(xué)家在他們的離子阱量子計算機上基于變分量子計算進行頻率測量。由于線性離子阱中使用的相互作用在經(jīng)典計算機上仍然相對容易模擬，因此理論同事能夠在因斯布魯克大學(xué)的超級計算機上檢查必要的參數(shù)。盡管實驗設(shè)置絕不是完美的，但結(jié)果與理論預(yù)測值驚人地吻合。由于此類模擬并非對所有傳感器都可行，因此科學(xué)家們展示了第二種方法：他們使用方法在沒有先驗知識的情況下自動優(yōu)化參數(shù)。“與機器學(xué)習(xí)類似，可編程量子計算機作為高精度傳感器自主找到模式，”實驗物理學(xué)家 Thomas Feldker 說，

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

結(jié)果發(fā)表在《自然》和《物理評論 X 》雜志上。