利用超导量子网络的分布式多参数量子计量

用量子网络测量不可见之物

现代技术依赖于我们测量微小时间、场和力变化的能力。从全球定位到暗物质搜索，许多前沿领域现在要求的灵敏度超出常规仪器的能力。该工作展示了一种由超导量子处理器组成的网络如何协作，成为一种强大的新型测量装置，不仅能读取单一信号，还能同时精确测量若干相关量，精度远高于经典方法。

由超导芯片构建的量子网络

研究人员构建了一个由超导电路组成的小型量子网络，这些电路被冷却到接近绝对零度。网络中心为一个“枢纽”模块，通过低损耗微波电缆与多个“传感”模块相连。每个模块包含四个量子比特（qubit），它们可以被制备成纠缠态——处于共享的量子状态中，对其中一个的测量会瞬时影响其他比特，无论它们位于何处。微波电缆充当量子高速公路，将脆弱的量子态在芯片间传输，态传输效率接近99%。这种模块化设计意味着可以随着时间增加更多的传感节点，就像将新设备插入高速数据网络一样方便。

把纠缠变成更好的场传感器

在第一组实验中，团队用该网络测量位于远端传感模块处的类似磁场的矢量场的三个分量。他们首先在中心枢纽中制备了一对纠缠比特。一个比特留在枢纽作为辅助比特（ancilla），另一个被传输到感知未知场的传感模块。传感比特随后经受一系列精心设计的步骤：与场的短时相互作用，接着施加控制操作，并重复多次。经过这些循环后，传感比特的状态被送回枢纽，在那里对两枚比特一同进行测量。通过将此过程重复数百次并用极大似然方法分析统计数据，研究人员能够精确估计该场的强度与方向。

同时超过经典多量测量极限

通常，试图同时测量一个量子系统的若干属性会在精度上产生权衡，因为这些底层量可能是不相容的。在此，团队展示了通过将纠缠态与自适应“顺序”策略相结合——即根据早期测量结果逐步调整控制脉冲——可以避免这些常见的折衷。随着信号—控制循环次数的增加，三项场参数的不确定性以反平方缩放减小，这是在所用资源下量子力学允许的最有利趋势。与使用未纠缠探针分别测量每个参数的传统方法相比，他们的方法在方差意义上最多将测量精度提高了13.72分贝，意味着不确定性降低了二十多倍。

绘制场在空间中的变化

第二个实验更进一步，使用两个远端传感模块测量场随位置变化的情况——即场的梯度。研究人员制备了一个四比特的Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ) 态，这是一种跨越两个传感节点并通过中心枢纽路由的强纠缠态。每个传感器处的一对比特经历其局域场，随后对整个纠缠态施加类似的信号—控制循环并进行联合测量。基于所得数据，团队可以直接估计两处场的差异。当他们将这种分布式策略与仅在每个模块内部使用局域纠缠然后再对两次独立读数相减的方法比较时，非局域方法始终表现更好，在二维场梯度测量中实现了总方差降低3.44分贝。

从实验室演示到量子传感器网络

简而言之，这项工作表明，一个由纠缠超导量子比特组成的网络可以作为高度可调的测量机器，能够读取远端场的数值以及该场在空间上的变化，精度超出独立传感器的能力。快速的超导硬件、低损耗量子链路与自适应控制的结合，使系统在同时处理多个参数时接近量子力学的基本极限。随着这些技术的扩展并与差错校正及更复杂的网络布局结合，它们有望实现实用的量子增强传感网络，应用于电磁场监测、导航以及微弱新物理信号的搜索等领域。

引用: Zhang, J., Wang, L., Hai, YJ. et al. Distributed multi-parameter quantum metrology with a superconducting quantum network. Nat Commun 17, 1825 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68535-9

关键词: 量子传感, 超导量子比特, 量子网络, 纠缠增强计量, 磁场梯度