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研究快讯:量子传感可突破经典探测盲区

量子传感 磁共振成像
发布:2020-12-21 11:21:31     来源:中国物理学会期刊网

此研究提出量子传感领域新范式: 实现量子传感从“增强传统方法”到“突破经典盲区”的转变。文章演示了一个重要范例:四阶量子关联可以完全屏蔽经典环境噪声的影响,在传统方法无信号的区间探测到量子目标。

量子传感 – 量子信息科技的一个支柱

量子传感利用量子探针的相干性、纠缠、离散性等量子特性来提高检测灵敏度、成像和频谱分辨率、测量精度等。量子传感是量子信息科技的一个重要方面,在基础物理研究、生物、医疗、国防等方面有很大应用前景,被《科学美国人》杂志列为2020年值得关注的十大新科技之一。过去三十年量子传感研究蓬勃发展,在引力波探测、纳米分辨磁共振成像、精密时钟、超灵敏重力计等领域做出了重要贡献。

图1. 用一个量子探针(如电子自旋,蓝色箭头所示)探测一个量子目标(如核自旋,进动的红色箭头所示)时,信号会被环境噪音(杂乱曲线所示)影响。通常的二阶关联测量(量子线路上图所示)无法区分量子和经典噪音,因而在环境噪音强度较大或量子信号展宽较大时,量子信号会被环境噪音完全掩盖而出现探测盲区(表现为达到一定信噪比所需的测量时间变为无穷大)。而四阶量子关联测量(量子线路下图所示)则可以完全排除环境噪音的影响,实现无盲区量子探测。

量子关联对经典噪声的无差别屏蔽

发展至今,量子传感领域一个重要的问题是:能否利用被测目标和探针的量子特性设计出经典探测手段无法实现的传感方案?(用通俗但不那么准确的语言来说,就是能否实现量子感应“霸权”?) 香港中文大学刘仁保教授课题组从理论上对此问题给出了肯定的答案。

量子和经典物理量的根本差别在于前者是不可对易的(A乘B不等于B乘A,即AB-BA≠0)而后者是对易的(即AB=BA)。利用这一经典和量子的根本差别,刘仁保等发现只要设计一串测量序列,其中量子探针的初态和测量物理量按一定的方式选取,将得到的数据序列做统计分析就可以得到量子关联。例如把图一下方量子测量序列的四个数据乘起来再对整个重复序列平均可以得到一个四阶量子关联,里面包含量子力学的对易式(即AB-BA这样的项)。由于经典物理量是对易的,AB-BA永远为零,这样量子关联信号里面就完全无差别地屏蔽了环境噪音的影响,完全不依赖经典噪声的具体性质(不管它是高斯还是非高斯的、马尔科夫还是非马尔可夫的、亦或强还是弱的,等等)。这就解决了量子探测领域里面一个长期的难题 – 例如在探测单个核自旋量子比特时,经典噪音太强或者比特本身展宽较大时,量子比特的信号会完全被经典噪音掩盖。虽然有一些传统的方法如动力学去耦可以部分去除噪音的干扰,但这些方法都依赖于噪音的具体性质(如动力学去耦要求噪音较慢、量子纠错则适用于无关联或短关联的噪音)。新的方案即使在传统方法的探测盲区,只要适当增长探测时间,总是可以达到足够的信噪比从而将量子目标从经典的背景中分离出来。

研究意义和重要性

该方法扩展下去,可为量子传感研究开创一个新的方向,为量子多体物理研究(通过探测经典手段无法捕捉的量子关联)、超灵敏核磁共振(通过完全排除经典噪音效应)、量子物理基础研究(通过验证高阶量子关联对经典统计约束条件的违反)等提供新手段和新思路。

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