中國電子元件行業(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重點(diǎn)實(shí)驗室的量子感知與信息處理研究所，在曾貴華教授領(lǐng)導下，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(cháng)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)間指數爆炸問(wèn)題），使得量子傳感精度真正意義上達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”（基于量子強化學(xué)習的無(wú)臨界失速海森堡極限到達）為題，于2025年3月發(fā)表在物理學(xué)頂刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
量子臨界傳感是指采用量子多體糾纏系統的臨界基態(tài)作為傳感探頭進(jìn)行參量檢測的一種方法，其靈敏度提升來(lái)自于量子糾纏系統的多體相變，理論上可達到海森堡極限甚至超海森堡極限。近些年，國內外針對不同量子多體系統的相變特性，構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量子臨界基態(tài)的制備是瞬時(shí)完成的，這一假設在實(shí)際系統顯然是不現實(shí)的，按照傳統方式，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。因此，尋找一種與量子系統尺寸無(wú)關(guān)的臨界基態(tài)制備方法成為該領(lǐng)域共同的挑戰性問(wèn)題。
針對上述挑戰，研究團隊另辟蹊徑，研究基于量子強化學(xué)習的量子多體臨界傳感協(xié)議（QRLCS），擺脫了傳統絕熱演化的限制，使得基態(tài)制備時(shí)間與量子系統尺度無(wú)關(guān)；并且在較小規模量子系統中學(xué)習到的策略能夠推廣到任意尺度的量子系統中，這種泛化性受到嚴格的物理保證（即量子系統的平移不變性）。該方案對系統測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。
圖1 量子強化學(xué)習臨界傳感方案框架。量子強化學(xué)習通過(guò)對量子傳感系統的量子態(tài)進(jìn)行學(xué)習并給出最優(yōu)的量子門(mén)調控策略，從而快速制備臨界基態(tài)。
量子強化學(xué)習臨界傳感方案如圖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性的問(wèn)題。量子強化學(xué)習通過(guò)對多體系統量子態(tài)進(jìn)行學(xué)習，并評估其與目標量子態(tài)之間的保真度作為獎勵函數參考，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)現量子多體系統的任意基態(tài)制備。所提出的方案在當前含噪聲中等尺度量子系統中具有良好的可實(shí)現性。
該工作首先針對一維量子伊辛模型作為研究對象，在量子比特數為30的量子系統中進(jìn)行量子強化學(xué)習訓練，并試圖尋找其基態(tài)制備策略。在算法收斂后，其發(fā)現的最優(yōu)量子門(mén)序列如圖2a所示。這一序列長(cháng)度對于當前的含噪聲量子系統是較為容易實(shí)現的。圖2c顯示了量子強化學(xué)習的泛化性?xún)?yōu)勢，在量子比特數為30的系統中訓練的模型可以在小于30的量子系統中實(shí)現任意的泛化，且保真度維持在較高的水平。圖2d-2e的數值結果表明采用量子強化學(xué)習的臨界傳感方案與傳統絕熱演化的臨界傳感以及非臨界傳感方案相比，所能達到的精度極限在理論上最高的，即所謂的海森堡極限（為量子比特數）。
圖2 量子伊辛模型作為量子傳感系統下采用量子強化學(xué)習制備探頭所能達到的精度極限
然后，研究了一種具備更加奇異量子相的多體系統，即量子X(jué)Y多體糾纏系統，試圖發(fā)現其是否能夠達到超海森堡極限。類(lèi)似的，采用量子強化學(xué)習對量子X(jué)Y多體系統的基態(tài)進(jìn)行學(xué)習，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所示的數值結果圖表明采用量子強化學(xué)習可以達到超海森堡極限，即。圖3d為在不同各向異性參數所刻畫(huà)的量子X(jué)Y模型中，量子強化學(xué)習所能實(shí)現的基態(tài)制備保真度變化，表明在更加復雜的量子X(jué)Y模型中，量子強化學(xué)習仍然具備良好的學(xué)習性能。
圖3 量子X(jué)Y模型作為量子傳感系統下采用量子強化學(xué)習制備探頭所能達到的精度極限
最后，研究了量子強化學(xué)習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)現含噪聲量子強化學(xué)習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 含噪聲量子強化學(xué)習制備臨界基態(tài)下量子X(jué)Y模型的精度極限分析
