量子纠错的副作用及其应对方法

量子传感器的动力学。噪声等误差会导致信号相对于理想情况产生阻尼。量子纠错可恢复大部分丢失的信号强度，但也会改变感应频率，导致偏差逐渐积聚（显示为灰条）。改编自Rojkov等人， Phys. Rev. Lett.128, 140503 (2022).

众所周知，量子纠错可以提高量子传感器的性能。但新的理论工作警告说，出乎意料的是，这种方法也可能导致不准确和误导性的结果，并展示了如何纠正这些缺点。

量子系统可以彼此之间以及与周围环境相互作用，其方式与经典系统完全不同。在量子传感器中，利用这些相互作用的特殊性来获取有关量子系统环境的特征信息，例如，它所浸入的磁场和电场的强度。至关重要的是，当这样的设备适当地利用量子力学定律时，它的灵敏度可以超越传统经典技术的可能性，即使在原则上也是如此。

不幸的是，量子传感器不仅对感兴趣的物理量非常敏感，而且对噪声也非常敏感。抑制这些不需要的贡献的一种方法是应用统称为量子纠错（QEC）的方案。这种方法正在吸引相当多和越来越多的关注，因为它可以在比今天更广泛的应用中实现实用的高精度量子传感器。但是，纠错量子传感的好处带来了重大的潜在副作用，正如由瑞士国家科学基金会的Ambizione研究员Florentin Reiter领导的一个团队现在发现的那样，他是量子电子研究所的Jonathan Home小组的成员。在《物理评论快报》上，他们报告了理论工作，其中他们表明，在现实环境中，QEC会扭曲量子传感器的输出，甚至可能导致非物理结果。但并非全部都丢失了。研究人员还描述了如何恢复正确结果的程序。

偏离轨道

在将QEC应用于量子传感时，当传感器获取有关目标量的信息时，错误会反复纠正。打个比方，想象一下，一辆汽车不断偏离它所行驶的车道中心。在理想情况下，漂移通过恒定的反转向来校正。在量子传感的等效场景中，已经表明，通过恒定的或非常频繁的纠错，噪声的有害影响可以完全抑制，至少在原则上是这样。当出于实际原因，驾驶员只能在特定时间点使用方向盘进行校正干预时，情况就大不相同了。然后，正如经验告诉我们的那样，必须对前方驾驶和进行纠正动作的顺序进行微调。如果顺序无关紧要，那么驾驶者可以简单地在家中的车库中执行所有转向操作，然后自信地将脚踩在油门上。这不起作用的原因是旋转和平移不是可交换的 - 一种类型或另一种类型的操作的执行顺序会改变结果。

对于量子传感器，可能会出现一些类似的非通勤动作情况，特别是对于"传感动作"和"错误动作"。前者由传感器的哈密顿算子描述，后者由误差算子描述。现在，在ETH与Reiter以及麻省理工学院（MIT）的合作者一起工作的博士研究员Ivan Rojkov发现，当错误与其随后的校正之间存在延迟时，传感器输出会经历系统性偏差或"漂移"。根据这个延迟时间的长度，量子系统的动力学（理想情况下应该由哈密顿算子单独控制）会受到误差算子干扰的污染。结果是，在延迟期间，与未发生错误的情况相比，传感器通常获取有关感兴趣量的信息（例如磁场或电场）较少。信息采集中的这些不同速度会导致输出失真。

感官感应

这种QEC引起的偏差很重要。例如，如果下落不明，那么，对量子传感器可以检测到的最小信号的估计可能最终会过于乐观，正如Rojkov等人所显示的那样。对于突破精度极限的实验，这种错误的估计尤其具有欺骗性。但该团队也提供了一条逃脱路线来克服偏见。可以计算有限速率QEC引入的偏置量，并在后处理中通过适当的措施进行校正，从而使传感器输出再次具有完美的意义。此外，考虑到QEC会引起系统性偏移，有助于在测量之前设计出理想的传感协议。

鉴于这项工作中发现的效应存在于各种常见的纠错量子传感方案中，这些结果将为调整宽范围或量子传感器的最高精度提供重要贡献，并使它们保持在正轨上，以实现其承诺，将我们引向经典传感器无法探索的制度。