【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在分布式量子傳感研究中取得突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊李傳鋒、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在多個觀測點間分享量子糾纏，提升測量的準(zhǔn)確性和精度。然而在真實場景中，由于不同觀測點之間天然缺乏共同參考系而無法提取全局信息，這個限制是物理世界本征的局域性和對稱性共同設(shè)置的“禁戒定理”。針對該難題，研究團(tuán)隊首次提出一種反向編碼協(xié)議。該協(xié)議通過打破編碼過程中的對稱性，成功克服了這個“禁戒定理”，可在僅使用局域操作的情況下完全恢復(fù)量子費舍爾信息，并實現(xiàn)海森堡極限的測量精度。
在量子信息處理中，精確的參考系如同航海中的“羅盤”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鐘同步網(wǎng)絡(luò)，由于站點間的空間分離、相對運動或環(huán)境干擾等，建立一個精確統(tǒng)一的共享參考系往往極其困難甚至不可行。這種“標(biāo)尺”的缺失會導(dǎo)致兩類嚴(yán)重后果：一是受到“禁戒定理”的限制，即如果編碼過程僅限于本地，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)生類似退相干的噪聲，破壞量子態(tài)的相干性。
針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊不再試圖耗費資源去“對齊標(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)的同向編碼方式會讓信號淹沒在迷霧中無法識別。而團(tuán)隊提出的“反向編碼”策略，則是在兩個量子態(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稱性，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)議不僅能夠通過多拷貝“免疫”參考系失準(zhǔn)帶來的噪聲，還能在局域操作下完整地恢復(fù)量子費舍爾信息。更為關(guān)鍵的是，對于共享了糾纏態(tài)的N個觀測點，該方案能夠保持1/N的海森堡極限精度。此外，研究團(tuán)隊進(jìn)一步證明僅需對本地的兩個粒子采用簡單的“局域貝爾態(tài)測量”就能以最優(yōu)的方式提取全部信息，而無需額外的輔助量子比特或非局域操作。這一發(fā)現(xiàn)極大地降低了實驗實現(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)就可以實現(xiàn)。該協(xié)議為未來構(gòu)建高精度的星地量子傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式光鐘等實際應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。
論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生許華卿和李恭初。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、合肥國家實驗室和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等的資助。
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