原子钟是人类有史以来建造的最好的传感器。今天，你可以在一些国家的标准机构或导航系统的卫星中找到它们的身影。世界各地的科学家都在努力进一步优化这种时钟的精度。现在，由来自奥地利因斯布鲁克大学的理论家Peter Zoller领导的一个研究小组开发了一种新理论概念，这种概念可用于以更高的精度操作传感器，而且它与制造传感器的技术平台无关。美国量子光学和量子信息研究所Peter Zoller小组的Denis Vasilyev和Raphael Kaubrügger解释道：“我们回答了传感器在现有控制能力下的精确度问题，并给出了如何提高精度的方法。”

为此，物理学家使用了一种来自于量子信息处理的方法：变分量子算法，它描述了一个依赖于自由参数的量子门电路。通过优化程序，传感器能自动找到最佳设置以获得最佳结果。借助这种新方法，科学家可以优化量子传感器，使其达到技术上允许的最佳精度。Vasilyev和Kaubrügger说道：“我们将这项技术应用于计量学的一个问题——测量科学。这令人兴奋，因为原子物理学的历史进步是由计量学推动的，而量子信息处理又由此产生。所以，我们在这里绕了一圈。”

一段时间以来，人们认为原子钟通过利用量子力学里的纠缠效应可以更准确地运行。然而，对于此类应用，缺乏实现鲁棒性的纠缠的方法。因斯布鲁克的物理学家现在正在使用一种量身定制的纠缠方法，该纠缠已精确调整到满足现实世界的要求。通过他们的方法，他们准确地生成了由量子态和测量值组成的组合，这对于每个单独的量子传感器都是最佳的。这使得传感器的精度可以根据自然法则接近可能的最佳值，而资源开销仅略有增加。因斯布鲁克大学实验物理系的Christian Marciniak说：“在量子计算机的开发过程中，我们已经学会了创建定制的纠缠态。”

这一理论概念正在因斯布鲁克大学进行首次实践检验，由Thomas Monz和Rainer Blatt领导的研究小组在最近发表在《Nature》上的一篇报道称，物理学家已在他们的离子阱量子计算机上基于变分量子计算进行频率测量。由于线性离子阱中使用的相互作用在经典计算机上仍然相对容易模拟，因此理论组的同事能够在因斯布鲁克大学的超级计算机上检查必要的参数。尽管实验设置绝不是完美的，但结果与理论预测值惊人地吻合。由于这种模拟并非对所有传感器都可行，因此科学家们展示了第二种方法：他们使用该方法在没有先验知识的情况下进行了自动优化参数。该校实验物理学家Thomas Feldker说：“与机器学习类似，可编程量子计算机作为高精度传感器自主的找到了最佳模式。”

Peter Zoller强调说：“我们的概念使得证明量子技术能在实际相关问题上要比经典计算机具有优势成为了可能。我们已经用这种变分拉姆齐干涉法证明了量子增强的原子钟的一个关键组成部分。下一步将是在专用的原子钟中运行它。现在只有在实际意义上存在问题的计算中才能被证明的东西，我们可以在不久的将来通过一种可编程的量子传感器来证明——这就实现了量子优势。”（编译:Qtech）