使用纠缠原子的复杂计算方法可以更精确地确定时间。来自奥地利因斯布鲁克的物理学家开发了这种技术。图片来源：因斯布鲁克大学/Harald Ritsch

原子钟是人类有史以来建造的传感器。今天，它们可以在国家标准机构或导航系统卫星中找到。世界各地的科学家都在努力进一步优化这些时钟的精度。现在，由来自奥地利因斯布鲁克的理论家 Peter Zoller 领导的一个研究小组开发了一种新概念，该概念可用于以更高的精度操作传感器，而与制造传感器的技术平台无关。“我们回答了传感器在现有控制能力下的精确度的问题，并给出了如何实现这一点的方法，”美国量子光学和量子信息研究所 Peter Zoller 小组的 Denis Vasilyev 和 Raphael Kaubrügger 解释道。奥地利科学院在因斯布鲁克。

为此，物理学家使用了一种来自量子信息处理的方法：变分量子算法描述了一个依赖于自由参数的量子门电路。通过优化程序，传感器自动找到设置以获得结果。“我们将这项技术应用于计量学的一个问题——测量科学，”Vasilyev 和 Kaubrügger 解释道。“这令人兴奋，因为原子物理学的历史进步是由计量学推动的，而量子信息处理又由此产生。所以，我们在这里绕了一圈，”彼得佐勒说。借助新方法，科学家可以优化量子传感器，使其达到技术上允许的精度。

无需额外努力即可获得更好的测量结果

一段时间以来，人们认为原子钟通过利用量子力学纠缠可以更准确地运行。然而，对于此类应用，缺乏实现鲁棒纠缠的方法。因斯布鲁克物理学家现在正在使用量身定制的纠缠，该纠缠已精确调整到现实世界的要求。通过他们的方法，他们准确地生成了由量子状态和测量值组成的组合，这对于每个单独的量子传感器都是良好的。这使得传感器的精度可以根据自然法则接近可能的值，而开销仅略有增加。“在量子计算机的开发过程中，我们已经学会了创建定制的纠缠态，”因斯布鲁克大学实验物理系的 Christian Marciniak 说。"

用传感器展示量子优势

这一理论概念现在在因斯布鲁克大学首次在实践中实施，由 Thomas Monz 和 Rainer Blatt 领导的研究小组现在在《自然》杂志上报道. 物理学家在他们的离子阱量子计算机上基于变分量子计算进行频率测量。由于线性离子阱中使用的相互作用在经典计算机上仍然相对容易模拟，因此理论同事能够在因斯布鲁克大学的超级计算机上检查必要的参数。尽管实验设置绝不是完美的，但结果与理论预测值惊人地吻合。由于此类模拟并非对所有传感器都可行，因此科学家们展示了第二种方法：他们使用方法在没有先验知识的情况下自动优化参数。“与机器学习类似，可编程量子计算机作为高精度传感器自主找到模式，”实验物理学家 Thomas Feldker 说，

“我们的概念使得证明量子技术在实际相关问题上优于经典计算机的优势成为可能，”Peter Zoller 强调说。“我们已经用我们的变分拉姆齐干涉法证明了量子增强原子钟的一个关键组成部分。下一步是在专用的原子钟中运行它。到目前为止，仅显示用于有问题的实际相关性的计算现在可以用不久的将来可编程量子传感器——量子优势。”

结果发表在《自然》和《物理评论 X 》杂志上。