北卡罗来纳州立大学和麻省理工学院的研究人员设计了一种利用量子传感器功能的协议。该协议可以让传感器设计人员微调量子系统来感知感兴趣的信号，从而创造出比传统传感器灵敏度高得多的传感器。

“量子传感有望实现更强大的传感能力，可以接近量子力学定律设定的基本极限，但挑战在于如何引导这些传感器找到我们想要的信号，”北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程和计算机科学助理教授、这项研究的通讯作者刘远说。刘远曾是麻省理工学院的博士后研究员。

“我们的想法受到了电子工程师常用的经典信号处理滤波器设计原理的启发，”刘说。“我们将这些滤波器设计推广到量子传感系统，这使我们能够通过将无限维量子系统与简单的两级量子系统耦合来‘微调’它。”

具体来说，研究人员设计了一个将量子比特与玻色子振荡器耦合的算法框架。量子比特或量子位是量子计算中与经典计算位相对应的部分——它们存储量子信息，并且只能处于两个基态的叠加状态： ═ |0⟩， ═ |1⟩。玻色子振荡器是经典振荡器的量子类似物(想象一下钟摆的运动)，它们具有与经典振荡器相似的特征，但它们的状态不仅限于两个基态的线性组合——它们是无限维系统。

“操纵无限维传感器的量子态非常复杂，所以我们首先要简化这个问题，”刘说。“我们不必试图找出目标的数量，只需问一个决策问题：目标是否具有属性 X。然后我们可以设计振荡器的操纵来反映这个问题。”

通过将无限维传感器与二维量子比特耦合并操纵该耦合，可以将传感器调整到感兴趣的信号。干涉测量法用于将结果编码为量子比特状态，然后对其进行测量以进行读出。

刘说：“这种耦合使我们能控制玻色子振荡器，因此我们可以使用多项式函数(描述波形的数学)来设计振荡器的波函数，使其呈现特定形状，从而使传感器适应感兴趣的目标。”

“一旦信号发生，我们就会撤消整形，从而在无限维系统中产生干扰，并在量子比特的两级系统中以可读结果的形式返回 - 由振荡器的原始多项式变换和底层信号确定的多项式函数。换句话说，对于我们正在寻找的东西是否存在的问题，我们最终会得到‘是’或‘否’的答案。最好的部分是，我们只需要测量一次量子比特就可以提取答案 - 这是一个‘单次’测量。”

研究人员认为这项工作为设计各种量子传感器的量子传感协议提供了通用框架。

“我们的工作很有用，因为它以一种相当简单的方式利用了领先量子硬件中现成的量子资源(包括捕获离子、超导平台和中性原子)。”刘说。“这种方法可以作为信号存在的警报或指示器，而无需昂贵的重复测量。这是一种从无限维系统有效提取有用信息的有效方法。”

麻省理工学院研究生 Jasmine Sinanan-Singh 和 Gabriel Mintzer 是这项研究的共同第一作者。麻省理工学院物理学和电子工程与计算机科学教授 Isaac L. Chuang 也参与了这项研究。

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