Det är väl etablerat att kvantfelskorrigering kan förbättra prestanda hos kvantsensorer. Men nytt teoriarbete varnar för att tillvägagångssättet oväntat också kan ge upphov till felaktiga och missvisande resultat – och visar hur man kan rätta till dessa brister.

Kvantsystem kan interagera med varandra och med sin omgivning på sätt som skiljer sig fundamentalt från deras klassiska motsvarigheter. I en kvantsensor utnyttjas särdragen hos dessa interaktioner för att få karakteristisk information om kvantsystemets miljö - till exempel styrkan hos ett magnetiskt och elektriskt fält som det är nedsänkt i. Avgörande är att när en sådan anordning på lämpligt sätt utnyttjar kvantmekanikens lagar, kan dess känslighet överträffa vad som är möjligt, även i princip, med konventionell, klassisk teknologi.

Tyvärr är kvantsensorer utomordentligt känsliga inte bara för de fysiska mängderna av intresse, utan också för brus. Ett sätt att undertrycka dessa oönskade bidrag är att tillämpa system som kollektivt kallas kvantfelskorrigering (QEC). Detta tillvägagångssätt väcker stor och ökande uppmärksamhet, eftersom det kan möjliggöra praktiska kvantsensorer med hög precision i ett bredare spektrum av applikationer än vad som är möjligt idag. Men fördelarna med felkorrigerad kvantavkänning kommer med stora potentiella biverkningar, som ett team ledd av Florentin Reiter, en Ambizione-stipendiat från Swiss National Science Foundation som arbetar i gruppen Jonathan Home vid Institute for Quantum Electronics, nu har funnit . Skriva i Fysiska granskningsbrev , rapporterar de teoretiskt arbete där de visar att i realistiska miljöer kan QEC förvränga utsignalen från kvantsensorer och till och med leda till opysiska resultat. Men allt är inte förlorat; forskarna beskriver också procedurer för hur man återställer de korrekta resultaten.

Skiftar av spåret

Vid tillämpning av QEC på kvantavkänning korrigeras fel upprepade gånger när sensorn får information om målmängden. Som en analogi, föreställ dig en bil som fortsätter att avvika från mitten av körfältet den färdas i. I det ideala fallet korrigeras avdriften genom konstant motstyrning. I det ekvivalenta scenariot för kvantavkänning har det visat sig att genom konstant – eller mycket frekvent – ​​felkorrigering kan de skadliga effekterna av brus undertryckas helt, åtminstone i princip. Historien är ganska annorlunda när föraren av praktiska skäl kan utföra korrigerande ingrepp med ratten endast vid specifika tidpunkter. Sedan, som erfarenheten visar oss, måste sekvensen av att köra framåt och göra korrigerande rörelser finjusteras. Om sekvensen inte spelade någon roll, kunde bilisten helt enkelt utföra alla styrmanövrar hemma i garaget och sedan självsäkert sätta ner foten på gaspedalen. Anledningen till att detta inte fungerar är att rotation och translation inte är kommutativa – ordningen i vilken åtgärderna av den ena eller den andra typen utförs ändrar resultatet.

För kvantsensorer kan något liknande situation med icke-pendlingsåtgärder uppstå, specifikt för "avkänningsåtgärden" och "felåtgärden". Den förra beskrivs av den Hamiltonska operatören av sensorn, den senare av feloperatorer. Nu har Ivan Rojkov, en doktorand forskare som arbetar vid ETH med Reiter och med medarbetare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), funnit att sensorutgången upplever en systematisk förspänning - eller "drift" - när det finns en fördröjning mellan ett fel och dess efterföljande korrigering. Beroende på längden på denna fördröjningstid, blir dynamiken i kvantsystemet, som helst bör styras av den Hamiltonska operatorn ensam, förorenad av interferens av feloperatorerna. Resultatet är att sensorn under fördröjningen vanligtvis får mindre information om mängden av intresse, såsom ett magnetiskt eller elektriskt fält, jämfört med en situation där inget fel har inträffat. Dessa olika hastigheter i informationsinhämtning resulterar sedan i en förvrängning av utdata.

Sensisk avkänning

Denna QEC-inducerade partiskhet spelar roll. Om det inte tas hänsyn till, kan till exempel uppskattningar för den lägsta signal som kvantsensorn kan upptäcka bli alltför optimistiska, som Rojkov et al. show. För experiment som tänjer på precisionens gränser är sådana felaktiga uppskattningar särskilt vilseledande. Men teamet erbjuder också en flyktväg för att övervinna partiskheten. Mängden bias som introduceras av QEC med ändlig hastighet kan beräknas, och genom lämpliga åtgärder kan korrigeras i efterbehandlingen, så att sensorns utsignal återigen är perfekt. Att ta hänsyn till att QEC kan ge upphov till systematiska förändringar kan också bidra till att utforma det ideala avkänningsprotokollet före mätningen.

Med tanke på att effekten som identifierats i detta arbete finns i olika vanliga felkorrigerade kvantavkänningsscheman, är dessa resultat inställda på att ge ett importbidrag till att finjustera den högsta precisionen från ett brett spektrum eller kvantsensorer, och hålla dem på rätt spår för att leverera på deras löfte att leda oss till regimer som inte kan utforskas med klassiska sensorer. + Utforska vidare

Kvantsystem korrigerar sig själva