过去几十年，量子科学家推动了多类基于量子力学效应的技术发展，包括量子传感器、量子计算与量子存储等。其中，纠缠被视为关键资源：两个或多个粒子即使相距遥远，也可保持内在关联并共享统一的量子态。

不过，许多量子技术在实验部署中仍易受环境噪声影响而产生误差，进而限制可靠性与测量精度，成为其走向更广泛应用的主要障碍之一。

斯特拉斯堡大学与麦考瑞大学的研究人员近日提出一种新的量子传感方案，旨在即便存在环境噪声的情况下，也能实现精确的量子测量。相关协议发表于《物理评论快报》。该方案依赖于大量原子自旋的纠缠，这些原子被困在光学腔这一光捕获装置中。

论文第一作者兼共同资深作者Vineesha Srivastava与共同资深作者Gavin K Brennen、Guido Pupillo在接受Phys.org采访时表示，这项工作源于他们此前的合作研究，核心问题是能否在不直接驱动自旋的情况下，对量子比特实现高保真、确定性的非局域纠缠门。研究团队给出的结论是，通过对与自旋线性耦合的腔模施加定制脉冲，可设计多种多量子比特纠缠门，并在给定的自旋—腔协作度条件下实现最佳保真度。

在此基础上，Srivastava、Brennen、Pupillo与合作者Sven Jandura进一步探索将相关机制用于量子传感的可行性，并构建了一个用于处理对称态信息的通用协议，以实现精确量子传感。

以腔内自旋控制生成对称Dicke态

研究人员首先设计了一套协议，用于可靠制备一类集体量子态——对称Dicke态。该量子态可在原子与光学腔内光场相互作用过程中产生。随后，团队展示了该协议的一个更为简化且稳健的版本，可直接用于量子传感，即借助量子效应对时间、磁场等物理量进行精密测量。

Srivastava表示，基于对所研究系统中典型噪声源的理解，研究人员能够构造一系列简短操作序列，生成足够的纠缠，从而使对自旋静态场的测量精度接近海森堡极限。她同时称，研究清晰表明，使用多达100个自旋的纠缠态在实验上可实现，并且相较非纠缠探针可获得显著提升。

研究团队指出，该方案可推广至任何“自旋与公共玻色子模线性耦合”的实验装置。潜在实现平台包括：被困离子体系、光学或微波腔中的原子体系，以及条形谐振器中的超导量子比特等。

Pupillo表示，通过强驱动腔来产生多量子比特量子门，在实验上可能比以往驱动单个量子比特的方案更简单；同时，该方法允许在仅几十纳秒的时间尺度内用中性原子生成大规模纠缠，速度快于其他方法。他还称，对这些系统中噪声通道的详细了解，使得在现实实验条件下对参数进行精确优化成为可能。

研究团队推进实验验证合作

研究人员认为，该量子传感协议有望在不久后获得实验验证，并可能为更精确可靠的原子钟、量子传感器、磁力计等测量工具的开发提供支撑。

Brennen表示，围绕单量子系统集群的控制与测量已取得显著进展，并已应用于磁力计、重力计与电场传感等方向，市场上也已有多家公司销售现成的量子传感器。但他指出，这些传感器多为非纠缠或仅“轻度纠缠”，未能充分利用量子力学在测量精度方面相较经典系统的潜在优势。研究团队的工作则表明，纠缠增强传感并非如部分研究者所认为的那样苛刻，通过仅包含全局自旋旋转与外部驱动模的短控制序列，即可实现海森堡极限传感。

研究人员称，正与全球不同机构的实验物理学家团队探讨合作，以在不同实验平台上展示该方案的可行性与特征信号。Srivastava补充称，较有前景的平台包括中性原子耦合到法布里—珀罗腔的体系，以及被困离子串中自旋态与集体运动模式耦合的体系；团队当前重点是将理论方案转化为可实验测试的协议，并在相关系统中识别明确且可测量的特征。

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