量子传感器，即利用量子力学现象收集测量的装置，有可能以比经典传感器更高的灵敏度探测极弱的磁、引力和电磁信号。一些量子传感器利用纠缠现象，这种现象促使远距离粒子紧密相连，以至于一个粒子的物理状态决定其他粒子的状态。

尽管具有潜力，这些传感器通常对噪声（即来自周围环境的外部干扰）非常敏感。这意味着即使是微小的环境干扰和硬件缺陷也可能扰乱精细的量子态，降低器件的传感精度。

广港澳大湾区量子科学中心、南方科技大学和深圳大学的研究人员最近推出了一种新方法，用于开发能够收集更精确测量的噪声自适应传感器。他们的方法在发表在《物理评论快报》上的一篇论文中概述，依赖于变分量子电路，即一系列可以调整的量子操作序列，以寻找在特定测量任务中表现良好的状态。

“之前一项研究确立了时间序相关器（OTOC）与量子费舍尔信息（QFI）之间的直接联系，”该论文的联合第一作者兼通讯作者杨晓东告诉 Phys.org。

“由于OTOC已在多种可扩展量子平台上被实验测量，且QFI为参数估计的不确定性提供了理论界限，这一联系促使我们将OTOC作为评估传感性能的高效指标。通过将基于OTOC的评估与参数化量子电路集成，我们因此开发了本工作中提出的噪声自适应量子计量方案。”

OTOC是一种可用于追踪扰动随时间在量子系统中传播的强度的量。而量子自由态则测量一个量子态包含多少关于未知量的信息。研究人员开发了一种依赖这两个量的新量子计量方案。

噪声自适应量子探针的设备内学习过程。蓝色链路表示纠缠，周围波代表环境噪声，旋钮表示可调参数以准备候选探针，蓝色晕区则表示最优探针。图片来源：使用 ChatGPT 创建。

噪声自适应量子计量方案

研究人员希望设计一种方法，在现实条件下识别并实现量子计量学的最优探针态。他们开发的方案通过识别探针状态，使得在特定噪声条件下实现精确测量。

杨解释道：“噪声自适应量子计量方案包括用于准备候选探针态的变分量子电路、参数编码阶段以及一个实验测量的OTOC，用于高效评估其传感性能。”“该方案无需模型，硬件高效且可扩展，为近期量子器件的噪声韧性量子计量提供了实用途径。”

为了展示该方案的潜力，研究人员将其应用于一个七量子比特的核自旋传感器。他们没有假设最大纠缠状态是最优的，而是使用电路寻找在传感器实际噪声条件下表现最佳的探针态。通过反复评估候选态并相应调整量子电路，团队能够提升传感器的精度和性能。

杨称：“我们提出了并演示了一个高效的量子计量框架，能够在真实噪声的量子硬件上自动识别最优探针。”“这为实现可扩展量子计量学奠定了实用路径，因为在存在真实噪声的情况下，识别大规模量子系统的最佳探针在解析和数值上仍然难以解决。”

让量子传感器更接近实际实现

在初步测试中，研究人员发现，使用其方法识别出的最优探针态，在探测固定磁场时，与标准GHZ态（即特定类型的纠缠态）相比，精度可提升高达0.698分贝。未来，他们的方法有望应用于更大型的多量子比特系统，以评估其可扩展性。

最终，团队的努力有望推动更可靠、抗噪声的量子传感器的开发，应用于各种实际应用。与此同时，杨和他的同事们计划继续改进和评估他们的噪声自适应方案。

杨补充道：“我们的噪声自适应学习策略可以识别最优探针，但要达到预测精度极限，也需要优化读数。”“因此，下一步重要的是建立一个统一高效的探针准备与读出联合优化框架，实现量子计量学的端到端优化。此外，利用该方案的可扩展性，我们计划在当前拥有数百个量子比特的大型量子硬件上展示其性能，进一步发挥量子优势。”

出版信息

龙欣月等，《噪声自适应量子计量学中通过超时序相关器在设备上学习最优探针》，《物理评论快报》（2026年）。DOI： 10.1103/b834-zjgf

期刊信息：《物理评论快报》