[论文解读] Error-corrected quantum sensing with parallel signal and noise

David Layden, Paola Cappellaro|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用 2

一句话总结

本文提出了一种量子误差校正方法，可在同一方向上同时测量目标信号并抑制背景噪声，克服了以往限制：误差校正仅对与信号耦合方式不同的噪声有效。该方法实现了完全的噪声抑制而不损害信号检测，显著扩展了纠错型量子传感的实际应用价值。

ABSTRACT

Quantum systems can be used to measure various quantities in their environment with high precision. However, their sensitivity is limited by the decohering effects of this same environment. Quantum error correction has recently emerged as a tool to separate these two external contributions, and thus filter noise from signal in quantum sensors. However, this strategy has been commonly thought to be useful only for reducing noise which couples to a sensor differently than the signal, greatly limiting its practical utility. Here we show that this is not the case, and present a method through which an error-corrected quantum sensor can measure a signal while also suppressing background noise in the same direction. Our result opens the possibility of correcting for noise in all directions on a quantum sensor without also correcting away the signal.

研究动机与目标

• 解决长期存在的局限性：量子误差校正仅能抑制与信号耦合方式不同的噪声，从而限制了其在量子传感中的实际应用。
• 开发一种方法，使误差校正能够抑制与信号在同一方向上耦合的噪声。
• 通过滤除环境噪声而不丢弃目标信号，使量子传感器实现更高精度。
• 证明误差校正可普遍应用于所有噪声方向，包括与信号对齐的方向。

提出的方法

• 该方法采用量子误差校正码，将传感器量子比特编码为逻辑量子比特，从而保护其免受环境噪声引起的退相干影响。
• 其利用一种噪声模型，其中信号和噪声均以相同方向耦合至传感器，但误差校正码被设计为能够区分并抑制噪声，同时保留信号。
• 该协议使用投影测量（syndrome measurements）检测由噪声引起的错误，而不会坍缩信号态，从而实现实时校正。
• 该方法依赖于编码至对信号方向噪声具有鲁棒性的逻辑态，采用对称噪声模型以确保信号不变性。
• 该方法结合动态解耦与误差校正，以抑制噪声同时保持信号灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子误差校正能否抑制与信号以相同方向耦合的噪声？
• RQ2 是否可以设计一种误差校正码，在校正同一方向上的噪声时仍能保留信号？
• RQ3 如何在同一个希尔伯特空间方向上利用量子误差校正实现噪声与信号的分离？
• RQ4 当信号与噪声具有相同耦合方向时，量子传感器噪声抑制的根本极限是什么？

主要发现

• 该方法成功抑制了与信号在同一方向上耦合的噪声，表明以往认为此类情况下必然导致信号损失的假设是错误的。
• 经过误差校正的传感器在信号方向耦合的噪声与信号完全相同时，仍保持对信号的高灵敏度并实现显著的噪声降低。
• 该协议实现了所有方向上的噪声抑制，包括与信号对齐的方向，且未降低信号测量性能。
• 理论分析证实，该误差校正码在纠正同一方向噪声的同时保留了信号，验证了该方法的有效性。