量子启发的光学传感器了解一下

来自莫斯科物理与技术研究所的研究人员，以及来自美国阿贡国家实验室的一位同事，利用简单的光学工具实现了一种先进的量子算法来测量物理量。他们的研究发表在《科学报告》上，让我们更接近价格低廉的高性能线性光学传感器。从天文学到生物学，各种研究领域都在寻求这种工具。

最大限度地提高测量工具的灵敏度对于任何科学技术领域都是至关重要的。例如，天文学家试图探测遥远的宇宙现象，生物学家需要辨别极其微小的有机结构，工程师必须测量物体的位置和速度。

直到最近，没有任何测量工具能够确保精度超过所谓的散粒噪声极限，这与经典观测固有的统计特性有关。量子技术提供了一种解决方法，将精度提高到基本的海森堡极限，这源于量子力学的基本原理。LIGO实验在2016年首次探测到引力波，表明通过结合复杂的光学干涉方案和量子技术，有可能实现海森堡限制的灵敏度。

量子计量学是物理学的一个前沿领域，涉及的技术和算法工具，以作出高度精确的量子测量。在他们最近的研究中，来自MIPT和ANL的团队将量子计量与线性光学融合在一起。

“我们设计并构建了一个光学方案，运行基于傅里叶变换的相位估计程序，”来自MIPT的研究合著者Nikita Kirsanov说。“这个过程是许多量子算法的核心，包括高精度测量协议。”

大量的线性光学元件——分束器、移相器和反光镜——的特殊排列使得获取几何角度、位置、速度以及其他物理物体的参数成为可能。测量包括编码感兴趣的光学相位的数量，然后直接确定。

量子信息技术物理MIPT实验室的负责人Gordey Lesovik说：“这项研究是我们在通用量子测量算法方面工作的后续。”“在早期与芬兰阿尔托大学的一个研究小组的合作中，我们在transmon量子位上实验性地实现了一个类似的测量算法。”

实验表明，尽管该方案中含有大量的光学元件，但它是可调可控的。根据论文中提供的理论估计，线性光学工具对于实现甚至是相当复杂的操作也是可行的。

“这项研究已经证明，线性光学为实现中等规模的量子测量和计算提供了一个负担得起的和有效的平台，”Argonne杰出的研究员Valerii Vinokur说。