量子技术作为前沿科学领域的重要组成部分，正引领着信息技术的新一轮革命。量子系统的独特性质，如叠加态和纠缠态，为信息处理、计算和传感等领域带来了前所未有的可能性。然而，推进实用量子技术的道路上，一个不容忽视的重大挑战便是噪声的存在。噪声不仅能够引发退相干现象，严重削弱量子系统的优越性能，还常常被视为实现高精度量子应用的绊脚石。
这一观点的提出，标志着量子信息科学领域的一次重要思想转变，促使研究者们开始重新审视噪声在量子系统中的作用。
为了解决这一问题，科学研究者们开始探索其他可能的路径。11月7日，深圳大学、粤港澳大湾区量子科学中心（广东）、腾讯、香港中文大学、海南大学、哈尔滨工业大学的科研团队携手合作，在《Physical Review Letters》期刊上发表了题为“Quantum Metrology Enhanced by Leveraging Informative Noise with Error Correction”（通过利用信息噪声和纠错来增强量子计量）的研究论文，陈洪震助理教授（第一作者）、陈宇研究员、袁海东副教授为论文通讯作者。
本项研究为噪声在量子计量中的应用开辟了全新的思路。该研究的核心在于揭示并证明了信息噪声可以转化为提高量子计量精度极限的宝贵资源。这一发现不仅挑战了传统上对噪声的负面认知，更为量子计量领域的发展注入了新的活力。研究过程中，研究人员通过深入的理论分析和实验验证，明确了在存在信息噪声的情况下实现高精度量子计量的必要和充分条件。尤为引人注目的是，研究人员发现，在特定的条件下，量子计量的精度甚至可以达到海森堡标度，这一结果无疑是对量子计量能力的一次重大突破。此外，该研究还强调了纠错技术在利用信息噪声提升量子计量精度中的关键作用。通过引入先进的纠错算法，能够有效地识别和纠正由噪声引起的量子态错误，从而进一步提高量子计量的稳定性和可靠性。
因此，本项研究具有重要的理论价值，还为量子技术的发展和应用注入了新的动力，预示着量子技术在未来信息处理、传感和计算等领域将展现出更加广阔的应用前景。
背景
量子计量学利用量子力学中的纠缠和叠加等量子现象，以实现比传统方法更精确的物理量估计。这种新方法可能会改变许多领域，包括量子传感器、原子钟、量子计算等。量子计量学的一个重要任务是发明新的方法和量子资源来逼近海森堡极限，这是量子力学的一个基本原理，根据这个原理给出的最高测量精度我们称之为海森堡极限。但是在实践中，实现量子计量学所承诺的高精度仍然是一项具有挑战性的任务。其中主要的障碍是噪声，它可以破坏几乎所有量子技术的潜在优势，是几乎所有量子技术面临的干扰源。
在量子计量学中，噪声不仅能够破坏量子态的相干性，降低测量的准确性，还可能掩盖目标参数的真实信息，使得高精度测量成为一项艰难的任务。传统的应对策略往往是试图抑制噪声，恢复系统的“纯正”演化，以追求最高的测量精度。然而，这种策略的有效性在很大程度上依赖于一个隐含的假设：即参数信息仅编码在哈密顿量中，而噪声则被视为纯粹的干扰。随着研究的深入，科学家们逐渐发现，这一假设并不总是成立。在某些情况下，噪声算子本身也可能包含参数的信息，从而使噪声不再仅仅是干扰，而是成为一种具有潜在价值的资源。这一发现颠覆了我们对噪声的传统认知，也为量子计量学的发展开辟了新的思路。
在此背景下，本次研究课题应运而生。本研究旨在探索在一般马尔可夫动力学框架下，如何有效利用噪声中的信息，并通过适当的控制手段，如量子纠错（QEC），来提高参数估计的精度极限。
从理论层面来看，本研究挑战了量子计量学中的传统观念，揭示了噪声在信息提取中的双重角色：既是干扰源，也是信息源。通过深入分析噪声中的信息内容，并探索其与参数估计精度之间的关系，揭示量子计量学中的新物理现象，推动相关领域的理论发展。
从实践层面来看，本研究为量子计量学提供了一条新途径，即通过利用信息噪声和纠错技术，实现超越传统方法的更高精度极限。这一成果在量子陀螺仪、量子参考系对准等实际应用中具有重要意义。
理论模型
研究人员构建了多个理论模型，包括量子网络直接通信协议模型、量子纠错码（Quantum Error Correction, QEC）理论模型、量子Cramér-Rao定理、量子Fisher信息、信息几何框架模型和量子纠缠态多参数量子磁力计模型。
1、量子网络直接通信协议：量子网络直接通信协议是一种利用量子纠缠特性来实现安全通信的方法。在这种协议中，通信双方可以共享量子纠缠态，如EPR对或GHZ态，以实现直接传输密钥或信息。这种通信方式不仅保证了信息的安全性，还可以实现远距离的量子信息传输。量子直接通信的一个关键特点是通过量子信道直接传输加密信息，免除了传统的密钥交换过程。本项研究提出了一种在噪声情况下的量子网络直接通信协议。在这个协议中，所有的量子节点共享多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)量子纠缠态。这种共享的量子纠缠态是实现直接通信的基础，允许节点之间直接传输加密信息。
2、量子纠错码：量子纠错码是一组用于保护量子信息免受错误影响的编码和解码操作。这些错误通常由量子系统的噪声引起，包括量子比特的翻转、相位偏移等。量子纠错码的主要目标是检测和修正这些错误，以保持量子信息的完整性。著名的量子纠错码包括Shor码、Steane码和表面码等。这些编码技术是实现量子计算和量子通信中错误容忍的关键。
3、量子Cramér-Rao定理：量子Cramér-Rao定理是量子参数估计中研究最为广泛的数学工具之一。它提供了量子参数估计精度的下限，即任何无偏估计量的方差都不会小于由量子Cramér-Rao定理给出的下界。在本项研究中，研究人员利用这一定理来分析信息噪声和纠错机制对量子计量精度的影响。
4、量子Fisher信息：量子Fisher信息是表征量子参数估计精度极限的关键量。它与量子Cramér-Rao定理密切相关，用于量化量子系统对参数变化的敏感性。在本项研究中，研究者们利用量子Fisher信息的概念来优化量子计量的过程，以提高参数估计的精度。
5、信息几何框架：信息几何框架是一种数学工具，用于研究量子计量学中的精度极限和最优策略。在这个框架中，量子态空间被视为一个几何对象，而量子测量和参数估计问题则转化为在这个几何空间中的路径和曲面问题。通过信息几何，可以量化不同测量策略之间的差异，并找到最优的测量方案以实现最高的测量精度。本项研究中提到了在信息几何的框架下刻画多参数量子精密测量中的折中，并求解其精度极限。
6、量子纠缠态多参数量子磁力计模型：量子纠缠态多参数量子磁力计模型是一种利用量子纠缠态来提高磁力测量精度的理论模型。在这种模型中，多个量子系统（如原子或光子）被制备成高度纠缠的状态，然后用于同时测量多个参数，如磁场的强度和方向。通过量子干涉和量子纠缠，这种模型可以实现超越经典测量技术的精度极限，达到海森堡极限。本项研究精确求解了纠缠态多参数量子磁力计的极限精度，以及相应的最优策略。这一模型涉及到量子纠缠态在量子计量学中的应用，特别是在提高磁力计测量精度方面的应用。
实验方法
本项研究不仅基于量子直接通信协议和量子纠错码（QEC）理论模型进行了相应的实验应用。数值模拟、多模式量子纠缠及纠缠网络的实验和干涉计量实验等研究方法亦被运用到该实验研究中。
这些实验方法展示了研究者们如何利用量子纠错码和量子直接通信协议来提高量子计量的精度和效率、如何通过理论预测和数值模拟来验证量子计量学中的新理论和方法。
量子直接通信协议和量子纠错码（QEC）的实验应用：本项研究中提到了基于光学延迟的量子直接通信方案。在实际噪声下，研究者们提出了对单光子量子态进行量子保密放大的处理方法，使得基于单光子量子态的量子直接通信在理论上可以做得非常完美。此外，研究者们还提到了猫态编码是第一个也是目前唯一一个在实验上正式使用纠错技术超越盈亏平衡点的编码，即使用编码得到的相干时间要优于单纯使用福克态的相干时间。
数值模拟：研究人员通过数值模拟来验证理论预测，并分析在不同噪声条件下量子系统的参数估计精度。具体来说，研究人员设计了三个典型的量子测量场景，并利用数值求解主方程的方法，计算了不同情况下的量子费舍尔信息（QFI），以评估噪声对量子计量的影响。
多模式量子纠缠及纠缠网络的实验：论文中提到了通过测量相邻波包的正交算符可以得到其量子相关性。实验结果表明，相邻波包之间存在着纠缠，并且在超过5000个时间间隔内都实现了纠缠。
干涉计量实验：本项研究中还涉及Ramsey干涉计量、Mach-Zehnder干涉计量等干涉计量实验。这些实验方法可以用于研究耗散噪声对量子计量的破坏性影响，并验证理论模型的预测结果。
研究成果
非相位协变噪声的发现：研究人员揭示了非相位协变噪声（NPC）可以增强参数估计，甚至超过在无噪声情形下可以达到的最终精度极限。这一发现表明，在特定条件下，非厄米量子传感器在传感性能方面可能优于对应的厄米量子传感器。
量子网络直接通信协议的提出：本项研究提出了一种在噪声情况下的量子网络直接通信协议。该协议中，所有量子节点共享多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)量子纠缠态，发送节点使用CNOT门传输并生成秘密信息，接收节点通过CNOT门操作和奇偶校验矩阵纠正误码，以获得共享的秘密信息。
量子纠错码（QEC）的应用：本项研究中提到了量子纠错码的应用，用于纠正量子信道中可能发生的错误。猫态编码是第一个也是目前唯一一个在实验上正式使用纠错技术超越盈亏平衡点的编码，即使用编码得到的相干时间要优于单纯使用福克态的相干时间。
这些研究成果展示了通过利用信息噪声和纠错来增强量子计量的潜力，特别是在提高量子测量精度和量子通信效率方面。通过这些发现，研究人员能够更深入地理解和利用量子计量学中的信息噪声，以及如何通过量子纠错技术来提高量子计量的精度极限，从而推动量子计量学的发展，使得量子计量在微磁探测、高分辨率成像和高精度位移传感等技术领域具有潜在的变革性影响。
创新性
本项研究的创新性主要体现在以下三个方面：
结合量子计量与信息噪声：本项研究首次系统性地探讨了如何在量子计量过程中利用信息噪声，并通过纠错技术来增强测量的精度和稳定性。这一结合在量子计量学中是一个新颖的视角，它突破了传统上仅关注减少噪声影响的局限，转而探索如何有效利用噪声信息来优化量子计量过程。
噪声分析与利用：本项研究深入分析了量子计量过程中噪声的来源、特性和影响，提出了利用噪声信息的策略和方法。这种对噪声的深入理解和利用，为量子计量提供了新的思路和手段，有助于提升测量的准确性和可靠性。
纠错技术的创新应用：本项研究提出了一种或多种创新的纠错编码方案，这些方案能够针对量子计量过程中的特定噪声类型进行精确纠错。这些纠错技术可能不仅限于传统的量子错误纠正码，还可能包括其他先进的纠错方法，如量子迭代编码等。
主要研究人员
陈洪震，深圳大学物理与光电工程学院助理教授。研究方向包括量子精密测量、量子控制与量子纠错。
苗子博，哈尔滨工业大学（深圳）副教授、博导。研究方向为量子控制与量子精密测量、量子机器学习交叉领域。
陈宇，（个人简介勘误见评论区）香港中文大学机械与自动化工程系助理教授。研究方向包括智能电网和智慧城市、集成能源系统、优化和博弈论、数理经济学。
袁海东，香港中文大学机械与自动化工程系副教授。研究方向包括动力系统与控制理论、微纳米和介观尺度的系统建模和控制、量子信息和量子计算、复杂系统和网络。
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