分析为更灵敏的量子传感器铺平了道路

量子传感器可以利用纠缠等量子现象来测量环境中的微小变化，纠缠的粒子即使彼此相距很远，也会相互影响。研究人员最终希望创建并使用这些传感器来检测和诊断疾病，预测火山喷发和地震，或者无需挖掘即可探索地下。

为了实现这一目标，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的理论研究人员找到了一种使量子传感器呈指数级增长的方法。

通过利用一种独特的物理现象，研究人员计算出了一种开发传感器的方法，该传感器的灵敏度会随着其增长呈指数增长，而无需消耗更多的能量。研究结果于10月23日发表在《自然通讯》上。

该论文的合著者Aashish Clerk教授说：“这甚至可能有助于改进传统传感器。” “这是一种为各种应用构建更高效，功能强大的传感器的方式。”

利用物理现象

量子传感器通过操纵原子和光子的量子态，将其用作测量探针。提高这些传感器和传统传感器的灵敏度通常意味着开发更大的传感器或使用更多的感测粒子。即使这样，这种移动也只会增加量子传感器的灵敏度，其灵敏度等于所添加粒子的数量。

但是由研究生亚历山大·麦克唐纳(Alexander McDonald)领导的研究人员想知道是否有办法进一步提高灵敏度。他们设想创建一串光子腔，将光子传输到相邻的腔中。这样的弦可以用作量子传感器，但研究人员想知道：如果他们制造出越来越长的空腔链，传感器的灵敏度会更高吗?

在这样的系统中，光子可能会消散-从腔中泄漏出来并消失。但是，通过利用一种称为非埃尔米特动力学的物理现象，耗散会导致有趣的结果，研究人员能够计算出，这些空腔中的一串将比增加的空腔数量更多地增加传感器的灵敏度。实际上，它将使系统规模的灵敏度成倍增加。

不仅如此，它还可以不使用任何额外的能量，也不会增加来自量子波动的不可避免的噪声。克莱克说，那将是量子传感器的巨大胜利。

克莱克说：“这是这种方案的第一个例子，通过正确地将这些空腔串在一起，我们可以获得极大的敏感性。”

改进各种量子传感器

为了证明这一理论，Clerk正在与一组研究人员合作，他们正在构建超导电路网络。这些电路可以按照研究论文中Clerk所述的相同方式在腔之间移动光子。这样可以创建一个传感器，该传感器可以改善从量子位或量子位中读取量子信息的方式。

Clerk还希望研究如何通过耦合自旋而不是光子腔来构建类似的量子感测平台，以及基于量子位阵列的可能实现方式。

克莱克说：“我们想知道我们是否可以利用这种物理学来改进各种量子传感器。”

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