Achieving the Heisenberg limit in quantum metrology using quantum error correction.
Achieving the Heisenberg limit in quantum metrology using quantum error correction.
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DOI：
10.1038/s41467-017-02510-3
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发表时间：
2018-01-08
影响因子：
16.6
通讯作者：
Jiang L
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhou S;Zhang M;Preskill J;Jiang L
量子计量在科学和技术上有许多重要的应用，从频率光谱到引力波探测。量子力学对测量精度施加了一个基本限制，称为海森堡极限，它可以在无噪声的量子系统中实现，但对于受噪声影响的系统通常无法实现。在这里，我们研究如何通过量子误差校正来提高测量精度，量子误差校正是保护量子系统免受噪声破坏性影响的一种通用方法。我们发现了使用受马尔可夫噪声影响的量子探针实现海森堡极限的充分必要条件，假设无噪声辅助系统可用，并且可以进行快速，精确的量子处理。当满足充分条件时，可以构造一个抑制噪声而不模糊信号的量子纠错码；通过求解半确定程序，可以找到达到最佳可能精度的最优代码。在噪声存在的情况下达到海森堡极限量子测量的可能性是一个长期存在的问题。在这里，作者推导了作用于任何有限维探针上的噪声的一个充要条件，以确定使用量子误差校正是否可以达到海森堡极限。
Quantum metrology has many important applications in science and technology, ranging from frequency spectroscopy to gravitational wave detection. Quantum mechanics imposes a fundamental limit on measurement precision, called the Heisenberg limit, which can be achieved for noiseless quantum systems, but is not achievable in general for systems subject to noise. Here we study how measurement precision can be enhanced through quantum error correction, a general method for protecting a quantum system from the damaging effects of noise. We find a necessary and sufficient condition for achieving the Heisenberg limit using quantum probes subject to Markovian noise, assuming that noiseless ancilla systems are available, and that fast, accurate quantum processing can be performed. When the sufficient condition is satisfied, a quantum error-correcting code can be constructed that suppresses the noise without obscuring the signal; the optimal code, achieving the best possible precision, can be found by solving a semidefinite program. The possibility to reach Heisenberg-limited quantum measurements in the presence of noise is a long-standing problem. Here, the authors derive a necessary and sufficient condition on the noise acting on any finite-dimensional probe to establish whether the Heisenberg limit is reachable using quantum error correction.
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