日本电报电话公司（总部：东京都千代田区，总裁兼首席执行官：岛田彰，以下简称“NTT”）、米乐m6官方网站 (AIST) 和国立大学法人大阪大学量子信息与量子生命研究中心（以下简称“大阪大学”）正在合作开发利用量子态（以下简称“量子传感'') (*1)。在量子传感中，未知噪音(*2) 极大地影响准确性，因此减少其影响很重要。因此，在该算法中，量子计算机(※3) 为实现而设计的量子错误抑制方法(*4)，可以显着降低未知噪声的影响。这使得无需修改硬件即可实现更高精度的量子传感。
能够高精度获取磁场、电场、温度等多种信息的传感技术作为信息化加速发展的社会的基础技术之一变得越来越重要。特别是在医学、生物学和材料工程等领域，有广泛的应用，例如从磁场传感信息中获取材料内部信息的核磁共振成像（MRI），以及检测人类和动物大脑中产生的电活动以感知大脑状态的脑电图。人们热切期待开发能够高精度检测更小区域的传感器。
近年来，量子传感有望超越现有传感器的灵敏度和空间分辨率，并且世界各地都在进行研究。从广义上讲，量子传感领域正在研究两种类型的方法。使用叠加状态的方法和纠缠态(*5)。
众所周知，在没有噪声的理想条件下，使用量子纠缠的方法比使用叠加态的方法精确几个数量级。然而，使用量子纠缠的方法很容易受到与外部环境相互作用和硬件缺陷引起的噪声的影响，挑战是减少这种影响。
之前的量子传感研究假设已经提前获得了噪声信息（这种噪声称为已知噪声），统计错误(*6)，研究主要集中在改进硬件上（图1(a)）。
然而，实际上，不仅已知噪声，而且未知噪声对精度都有很大影响。
因此，我们通过磁场传感的具体数值模拟，评估了未知噪声对使用量子纠缠态传感的影响。结果，在未知的噪音下系统错误(*7)，并且显着影响了精度（图1（b））。
像这样的未知噪声很难用传统的已知噪声研究方法来处理，挑战在于如何减少未知噪声的影响。因此，这是量子计算机领域使用的量子误差抑制方法之一虚蒸馏法(*8)，可以在不改进硬件的情况下显着降低未知噪声的影响（图1（c））。
图 1：已知噪声引起的统计误差、未知噪声引起的系统误差以及所提出的方法的概念图。
通过将该方法应用于磁场量子传感的数值模拟并评估其准确性，我们证明，当形成纠缠态的量子位数量较多时，未知噪声的影响会减少，准确性会提高（图 2）。
图 2：将所提出的方法应用于磁场传感的数值计算结果
在这项研究中，NTT 提出了一种量子传感算法，对其进行了分析，并通过数值计算评估了其性能，AIST 提出了构成该算法基础的想法，提供了有关量子传感的知识，并验证了计算，大阪大学验证了量子传感算法的分析计算。
这项研究可以说是利用量子纠缠态实现高精度量子传感的重要一步。未来的方向包括该方法的演示实验以及对该方法的改进，不需要准备多个量子态。此外，由于该方法有望成为可应用于磁场传感以外的应用的通用方法，因此也可以考虑其他类型的量子传感中的性能评估。
如果开发这些技术来提高量子传感的精度，那么它不仅有望为基础科学做出贡献，而且还将为传感应用的广泛领域做出贡献。
*这项研究于 2022 年 12 月 16 日（美国东部冬季时间）发表在《美国科学杂志》上。物理评论信
杂志名称：物理评论信（在线版本：12 月 16 日）
论文标题：通过虚拟纯化消除误差的量子计量
作者：Kaoru Yamamoto*、Suguru Endo*、Hideaki Hakoshima*、Yuichiro Matsuzaki*、Yuuki Tokunaga*