中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，上海交通大學(xué)光子傳輸與通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的量子感知與信息處理研究所，在曾貴華教授領(lǐng)導(dǎo)下，提出了一種基于量子人工智能的量子臨界傳感新方案，解決了長(zhǎng)期困擾量子臨界傳感領(lǐng)域的所謂“臨界失速”問(wèn)題（制備臨界量子態(tài)所需時(shí)間指數(shù)爆炸問(wèn)題），使得量子傳感精度真正意義上達(dá)到海森堡極限甚至超海森堡極限。研究成果以“Toward Heisenberg Limit without Critical Slowing Down via Quantum Reinforcement Learning”（基于量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無(wú)臨界失速海森堡極限到達(dá)）為題，于2025年3月發(fā)表在物理學(xué)頂刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
量子臨界傳感是指采用量子多體糾纏系統(tǒng)的臨界基態(tài)作為傳感探頭進(jìn)行參量檢測(cè)的一種方法，其靈敏度提升來(lái)自于量子糾纏系統(tǒng)的多體相變，理論上可達(dá)到海森堡極限甚至超海森堡極限。近些年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同量子多體系統(tǒng)的相變特性，構(gòu)造出不同精度極限與功能特性的量子臨界傳感器。但迄今所有研究工作所獲得的海森堡極限都假設(shè)量子臨界基態(tài)的制備是瞬時(shí)完成的，這一假設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，按照傳統(tǒng)方式，采用絕熱演化方法制備臨界基態(tài)會(huì)徹底抵消量子傳感優(yōu)勢(shì)。因此，尋找一種與量子系統(tǒng)尺寸無(wú)關(guān)的臨界基態(tài)制備方法成為該領(lǐng)域共同的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，研究基于量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)的量子多體臨界傳感協(xié)議（QRLCS），擺脫了傳統(tǒng)絕熱演化的限制，使得基態(tài)制備時(shí)間與量子系統(tǒng)尺度無(wú)關(guān)；并且在較小規(guī)模量子系統(tǒng)中學(xué)習(xí)到的策略能夠推廣到任意尺度的量子系統(tǒng)中，這種泛化性受到嚴(yán)格的物理保證（即量子系統(tǒng)的平移不變性）。該方案對(duì)系統(tǒng)測(cè)量噪聲等具有魯棒性，為未來(lái)研制超高精度量子臨界傳感器奠定了基礎(chǔ)。
圖1 量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)臨界傳感方案框架。量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過(guò)對(duì)量子傳感系統(tǒng)的量子態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)并給出最優(yōu)的量子門(mén)調(diào)控策略，從而快速制備臨界基態(tài)。
量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)臨界傳感方案如圖1所示。在量子臨界傳感中，制備多體基態(tài)作為探頭是最具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過(guò)對(duì)多體系統(tǒng)量子態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并評(píng)估其與目標(biāo)量子態(tài)之間的保真度作為獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)參考，在只采用單量子比特與雙量子比特門(mén)作為動(dòng)作空間的條件下，即可實(shí)現(xiàn)量子多體系統(tǒng)的任意基態(tài)制備。所提出的方案在當(dāng)前含噪聲中等尺度量子系統(tǒng)中具有良好的可實(shí)現(xiàn)性。
該工作首先針對(duì)一維量子伊辛模型作為研究對(duì)象，在量子比特?cái)?shù)為30的量子系統(tǒng)中進(jìn)行量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練，并試圖尋找其基態(tài)制備策略。在算法收斂后，其發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)量子門(mén)序列如圖2a所示。這一序列長(zhǎng)度對(duì)于當(dāng)前的含噪聲量子系統(tǒng)是較為容易實(shí)現(xiàn)的。圖2c顯示了量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)的泛化性?xún)?yōu)勢(shì)，在量子比特?cái)?shù)為30的系統(tǒng)中訓(xùn)練的模型可以在小于30的量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)任意的泛化，且保真度維持在較高的水平。圖2d-2e的數(shù)值結(jié)果表明采用量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)的臨界傳感方案與傳統(tǒng)絕熱演化的臨界傳感以及非臨界傳感方案相比，所能達(dá)到的精度極限在理論上最高的，即所謂的海森堡極限（為量子比特?cái)?shù)）。
圖2 量子伊辛模型作為量子傳感系統(tǒng)下采用量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)制備探頭所能達(dá)到的精度極限
然后，研究了一種具備更加奇異量子相的多體系統(tǒng)，即量子X(jué)Y多體糾纏系統(tǒng)，試圖發(fā)現(xiàn)其是否能夠達(dá)到超海森堡極限。類(lèi)似的，采用量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)對(duì)量子X(jué)Y多體系統(tǒng)的基態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并從最簡(jiǎn)單的量子直積態(tài)出發(fā)，就可制備出相變臨界態(tài)。圖3a-c所示的數(shù)值結(jié)果圖表明采用量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以達(dá)到超海森堡極限，即。圖3d為在不同各向異性參數(shù)所刻畫(huà)的量子X(jué)Y模型中，量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)所能實(shí)現(xiàn)的基態(tài)制備保真度變化，表明在更加復(fù)雜的量子X(jué)Y模型中，量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)仍然具備良好的學(xué)習(xí)性能。
圖3 量子X(jué)Y模型作為量子傳感系統(tǒng)下采用量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)制備探頭所能達(dá)到的精度極限
最后，研究了量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法在單量子比特和雙量子比特噪聲（噪聲率為0.01~0.001）條件下的量子X(jué)Y模型精度極限問(wèn)題，如圖4所示。我們分別分析了在局域傳感（圖4（a））與大量程傳感（圖4（b））兩種條件下的精度極限，發(fā)現(xiàn)含噪聲量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法仍然能夠制備出較高保真度的臨界基態(tài)（保真度下降為2%~10%），從而使得量子多體臨界傳感的精度極限逼近超海森堡極限。
圖4 含噪聲量子強(qiáng)化學(xué)習(xí)制備臨界基態(tài)下量子X(jué)Y模型的精度極限分析
