MIT博士用空間噪聲濾波法實現(xiàn)超靈敏量子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學(xué)院（MIT）跨學(xué)科量子工程組（QEG）博士生David Layden采用了一種新的空間噪聲濾波方法，可以促進超靈敏量子傳感器的發(fā)展。

麻省理工學(xué)院跨學(xué)科量子工程組（QEG）博士生David Layden

雖然量子技術(shù)在計算應(yīng)用中具有很大的長期潛力，但它們在傳感應(yīng)用方面更接近于實際，由于能夠測量與光子、粒子和神經(jīng)元一樣微小的結(jié)構(gòu)，量子技術(shù)將在計量學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等許多其他領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景。麻省理工學(xué)院跨學(xué)科量子工程組（QEG）的新研究正著力于解決量子傳感器系統(tǒng)面臨的基本挑戰(zhàn)之一：從被測信號中去除環(huán)境噪聲。根據(jù)QEG博士生David Layden的解釋，問題的根源在于量子傳感器對周圍環(huán)境的極端敏感性。

這些傳感器通?；诹孔觾煞N不同狀態(tài)的疊加效應(yīng)。微小的外力作用可引起兩種狀態(tài)之間的相位變化，可以利用此變化來進行溫度、運動、電場和磁場等物理量的測量，且測量精度可達到前所未有的分辨率。但是如此高的靈敏度意味著傳感器除了感興趣的信號之外，還會將許多無關(guān)的環(huán)境噪聲一并拾取。通過一種被稱為退相干的過程，這種噪聲會給量子傳感器的相位關(guān)系帶來不確定性，并限制了它們進行精確測量的能力。于是一些降噪技術(shù)被研發(fā)出來，用以通過減少退相干來提高靈敏度。其中一種常見的技術(shù)是動態(tài)去耦——將一系列控制脈沖引入系統(tǒng)中，根據(jù)頻率來過濾信號中的噪聲。但是，這種技術(shù)與DC信號不兼容，而通常傳感器測量的信號正是DC信號。

在過去的幾十年中，對量子計算的研究也增加了糾錯方案，如使用冗余量子比特。雖然這些在信息處理應(yīng)用中很有效，但它們對傳感器卻有很大的局限性?！坝嬎泐I(lǐng)域的標準在這里有點矯枉過正，”Layden說，“它的確非常擅長糾正錯誤并降低噪音，但它往往還糾正了正常信號，因為它無法區(qū)分這兩者?！弊罱?，在研制出的誤差校正量子傳感（ECQS）技術(shù)中，一種復(fù)原操作可有效地去除與信號不同方向的影響傳感器的噪聲——比如噪聲沿著x軸而信號沿著z軸時。

然而，這些基于幾何的技術(shù)想要區(qū)分來自相同方向的影響傳感器的噪聲和信號很困難，而這類情況更常見。在最近發(fā)表在npj Quantum Information（量子信息）雜志上的一篇論文中，Layden和Paola Cappellaro（Esther和Harold E. Edgerton核科學(xué)與工程副教授和QEG領(lǐng)導(dǎo)人），揭示了一種新的方法，將已建立的ECQS校正技術(shù)應(yīng)用于從同一個方向發(fā)出的信號和噪聲。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)與頻率無關(guān)的濾波，因為它利用了空間而非時間的噪聲相關(guān)性?！皩α孔佑嬎愣?，通常的錯誤糾正方法就是盡可能廣的撒網(wǎng)以盡可能多的糾正，” Layden說，“在傳感應(yīng)用中，您需要非常仔細地在網(wǎng)絡(luò)中形成適當范圍的孔，以便通過您正在尋找的特定信號。

實際上，我們正在調(diào)整現(xiàn)有的信號處理技術(shù)以用于量子器件。令人驚訝的是，這些表面上看似無關(guān)的量子計算和信號處理的理念居然可以無縫融合在一起?！弊鳛榱孔觽鞲衅鹘翟爰夹g(shù)的核心要求，區(qū)分信號與噪聲可以通過多種方式完成。除了過去的ECQS技術(shù)中使用的幾何方法之外，研究人員還充分利用了一個事實，即許多量子器件中的噪聲并非完全不可預(yù)測，而是充滿了相關(guān)性。例如，動態(tài)去耦就利用了在不同時間的噪聲相關(guān)性。類似地，QEG研究人員的新ECQS方案利用了量子傳感器在不同位置的噪聲相關(guān)性。

通過這種方式，即使兩者都在相同方向（例如沿z軸）的常見情況下，新方法也可以從噪聲中分辨出信號。Layden和Cappellaro的方法是對現(xiàn)有DD和ECQS方法的補充，這是有用的，因為噪聲源在不同的傳感應(yīng)用中變化很大。多樣化滿足不同需求的濾波工具，以及新方法還為量子傳感器打通了新的應(yīng)用之門，可以實現(xiàn)校正全三維空間的噪聲。

雖然迄今為止的發(fā)展主要是理論上的，但QEG實驗室的實驗研究正在進行，包括評估不同類型量子系統(tǒng)面臨的噪聲挑戰(zhàn)?！拔覀円恢敝铝τ陂_發(fā)類似的研究，”Layden解釋道，“小規(guī)模實施最近才剛實現(xiàn)；雖然關(guān)于大規(guī)模量子器件如何運作有許多理論觀點，但似乎任何實際的進展近期都只能達到中等規(guī)模，新開發(fā)的QEG技術(shù)可能會證明特別有用?！盠ayden和Cappellaro還與來自耶魯大學(xué)的合作者協(xié)作，共同推進他們項目的理論研究。

項目資金由美國陸軍研究室、國家科學(xué)基金會和加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會提供?！拔覀冞€沒有達到獲得實驗結(jié)果的階段，但我們正在構(gòu)建硬件并不斷地進行模擬，來回的反復(fù)和相互作用不僅使這個項目成型，還影響了幾個相關(guān)項目?！盠ayden補充道。