使用糾纏原子的復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家開發(fā)了這種技術。圖片來源：因斯布魯克大學/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 領導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平臺無關�！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。奧地利科學院在因斯布魯克。

為此，物理學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，傳感器自動找到設置以獲得結(jié)果。“我們將這項技術應用于計量學的一個問題——測量科學，”Vasilyev 和 Kaubrügger 解釋道�！斑@令人興奮，因為原子物理學的歷史進步是由計量學推動的，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，科學家可以優(yōu)化量子傳感器，使其達到技術上允許的精度。

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糾纏可以更準確地運行。然而，對于此類應用，缺乏實現(xiàn)魯棒糾纏的方法。因斯布魯克物理學家現(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)學會了創(chuàng)建定制的糾纏態(tài)，”因斯布魯克大學實驗物理系的 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首次在實踐中實施，由 Thomas Monz 和 Rainer Blatt 領導的研究小組現(xiàn)在在《自然》雜志上報道. 物理學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的超級計算機上檢查必要的參數(shù)。盡管實驗設置絕不是完美的，但結(jié)果與理論預測值驚人地吻合。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)�！芭c機器學習類似，可編程量子計算機作為高精度傳感器自主找到模式，”實驗物理學家 Thomas Feldker 說，

“我們的概念使得證明量子技術在實際相關問題上優(yōu)于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢成為可能，”Peter Zoller 強調(diào)說�！拔覀円呀�(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。