【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在分布式量子傳感研究中取得突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等人提出一種反向編碼協(xié)議，打破了由于共同參考系缺失造成的“禁戒定理”(No-go theorem)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》上。
大空間尺度下的分布式量子傳感可以通過(guò)在多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間分享量子糾纏，提升測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。然而在真實(shí)場(chǎng)景中，由于不同觀測(cè)點(diǎn)之間天然缺乏共同參考系而無(wú)法提取全局信息，這個(gè)限制是物理世界本征的局域性和對(duì)稱(chēng)性共同設(shè)置的“禁戒定理”。針對(duì)該難題，研究團(tuán)隊(duì)首次提出一種反向編碼協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)打破編碼過(guò)程中的對(duì)稱(chēng)性，成功克服了這個(gè)“禁戒定理”，可在僅使用局域操作的情況下完全恢復(fù)量子費(fèi)舍爾信息，并實(shí)現(xiàn)海森堡極限的測(cè)量精度。
在量子信息處理中，精確的參考系如同航海中的“羅盤(pán)”或建筑中的“標(biāo)尺”，是定義量子比特狀態(tài)(如光子偏振、原子自旋)的基礎(chǔ)。然而在分布式量子網(wǎng)絡(luò)任務(wù)中，例如相距遙遠(yuǎn)的星載量子傳感器或全球時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)，由于站點(diǎn)間的空間分離、相對(duì)運(yùn)動(dòng)或環(huán)境干擾等，建立一個(gè)精確統(tǒng)一的共享參考系往往極其困難甚至不可行。這種“標(biāo)尺”的缺失會(huì)導(dǎo)致兩類(lèi)嚴(yán)重后果：一是受到“禁戒定理”的限制，即如果編碼過(guò)程僅限于本地，那么參考系的平均效應(yīng)將完全抹除所編碼的信息，這也成為阻礙分布式量子傳感走向?qū)嵱没暮诵钠款i。二是產(chǎn)生類(lèi)似退相干的噪聲，破壞量子態(tài)的相干性。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)不再試圖耗費(fèi)資源去“對(duì)齊標(biāo)尺”，而是另辟蹊徑，建立了一套全新的理論框架。研究人員提出一種基于兩拷貝局域幺正不變網(wǎng)絡(luò)態(tài)的“反向編碼”策略。如果將參考系失準(zhǔn)比作一種“旋轉(zhuǎn)迷霧”，傳統(tǒng)的同向編碼方式會(huì)讓信號(hào)淹沒(méi)在迷霧中無(wú)法識(shí)別。而團(tuán)隊(duì)提出的“反向編碼”策略，則是在兩個(gè)量子態(tài)拷貝上施加相反的參數(shù)編碼操作。這種操作巧妙地打破了拷貝之間的交換對(duì)稱(chēng)性，使得被編碼的參數(shù)信息不再被“旋轉(zhuǎn)迷霧”掩蓋。
理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬表明，該協(xié)議不僅能夠通過(guò)多拷貝“免疫”參考系失準(zhǔn)帶來(lái)的噪聲，還能在局域操作下完整地恢復(fù)量子費(fèi)舍爾信息。更為關(guān)鍵的是，對(duì)于共享了糾纏態(tài)的N個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，該方案能夠保持1/N的海森堡極限精度。此外，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明僅需對(duì)本地的兩個(gè)粒子采用簡(jiǎn)單的“局域貝爾態(tài)測(cè)量”就能以最優(yōu)的方式提取全部信息，而無(wú)需額外的輔助量子比特或非局域操作。這一發(fā)現(xiàn)極大地降低了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
該工作從理論上掃清了分布式量子傳感在無(wú)共享參考系下應(yīng)用的根本障礙，提出的方案基于現(xiàn)有的成熟的量子技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。該協(xié)議為未來(lái)構(gòu)建高精度的星地量子傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式光鐘等實(shí)際應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生許華卿和李恭初。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等的資助。
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