现代文明的一个被忽视的基础是探测振荡场的能力，无论是无线电波、可见光、X射线、磁场、引力波还是无数其他种类的场。毫不夸张地说，我们 21 世纪的生活就依赖于这种能力。因此，物理学家希望以越来越高的精度和灵敏度来做到这一点也就不足为奇了。
近年来，他们学会了利用量子粒子的奇异特性来进行仅受海森堡不确定性原理限制的测量。这为某些量子属性的精确度设定了重要的限制。
但通过利用量子纠缠和量子纠错等技巧，他们可以进一步压缩这个极限，从而有可能感知引力波等极其微弱的振荡场，这些场用其他方法是无法测量的。但物理学家非常希望做得更好。
计算传感
现在，麻省理工学院的 Richard Allen 和同事表示，通过将量子传感的强大功能与量子世界的另一个奇异特性——通过量子计算执行强大计算的能力——相结合，就可以实现这一点。
他们的发现不仅改进了现有的传感技术，还确立了一个新的基本极限，该极限定义了检测具有未知强度和频率的振荡场的最终精度。
他们说，通过这种方式，可以显著超越目前公认的传感极限。Allen 和同事表示：“我们提出了一种量子计算增强传感协议，其性能优于所有现有方法。”
检测未知振荡场的传统方法是以已知频率在规则的时间间隔对其强度进行采样，然后以另一个已知频率进行采样，以此类推。通过这种方式扫描频率最终应该可以找到与未知信号匹配的信号。
但 Allen 和同事意识到，量子计算允许使用一种称为 Grover 算法的量子方法进行完全不同类型的搜索。这利用了叠加的量子现象，可以同时搜索多个频率。
物理学家早就知道，搜索 N 个对象的列表所需的时间与 N 成正比。Grover 算法的速度要快得多，所需时间与 N 的平方根成正比。
Allen 和同事的突破在于认识到 Grover 算法具有划时代意义，因为量子传感就是一种在许多频率中进行搜索。通过结合量子计算和量子搜索，该团队确立了量子搜索精度的新界限。他们称之为 Grover-Heisenberg 极限。
该团队还展示了如何实现他们的方法。一种对外部场特别敏感的量子系统是钻石中的氮-空位中心。它们利用电子的量子特性来测量外部磁场的变化。
由于氮-空位中心可以集成到量子计算机中，因此这些信息也可以轻松处理。其结果是构建了一个集成了量子传感器和量子处理器的一体化固态机器。
他们进一步模拟了这样的实验将如何工作，并表明它将显著优于现有技术。他们说：“我们已经证明，通过用量子计算机增强量子传感器，可以实现显著的计量学增益。”
原理验证
这项有趣的工作可以立即投入使用，利用现有技术。现在需要的是有人去尝试。这大概需要不了多久。
但可能更重要的是，这项技术为一种新的传感方法铺平了道路：“通过将计量代码与新颖的传感协议进行协同设计，由此产生的逻辑量子传感器可以在硬件层面与物理世界进行鲁棒的接口，为量子传感开辟了新的可能性，”他们总结道。
这意味着我们很可能会在各种领域看到计算传感器，例如用于生物成像的磁共振成像、暗物质搜寻以及引力波的探测——这仅仅是几个例子。而且我们很可能很快就会看到它们！
参考：量子计算增强传感：arxiv.org/abs/2501.07625
