量子纠错为抵抗噪声提供了一条重要途径。通过将量子信息编码到特定的逻辑子空间中,量子纠错码可以识别并修正噪声引起的错误,从而保护量子态。然而,一个能够有效纠错的量子纠错码,并不保证一定能够实现高精度测量。量子纠错关注的是如何抵御噪声,而量子计量关注的是如何最大程度地感知待测信号。如果信号哈密顿量在编码空间中的作用过于平凡,即使噪声能够被完美纠正,编码态仍可能对待测参数缺乏足够的敏感性。因此,如何在保持量子纠错能力的同时进一步优化量子传感性能,是量子纠错计量中的一个重要问题。
为此,庞盛世团队提出了量子纠错码计量性能优化新方法。对于一个量子错误BG大游官方网站集合,Knill-Laflamme量子纠错条件通常允许存在多个等价编码方式。当噪声空间在某些幺正变换下保持不变时,可以利用这些对称变换连续改变编码空间,而不破坏原有的纠错条件,从而产生一系列纠错码。这些纠错码具有相同的抗噪能力,却可能对待测信号表现出截然不同的灵敏度。换言之,噪声的对称性不仅约束了量子纠错码的结构,也为优化量子传感性能提供了额外的自由度。通过在这些等价编码之间进行优化,可以在不牺牲纠错能力的前提下,寻找对信号最敏感的编码方式。
在此基础上,团队建立了一套系统的量子纠错码对称性优化理论框架,刻画了噪声空间中的连续对称结构,并利用这些对称变换优化编码态的量子Fisher信息量,进一步给出了哈密顿量对称性优化判据。这一框架揭示,即使初始纠错码对应的编码态对待测信号并不敏感,也可以沿噪声对称性允许的方向连续旋转编码空间,在保持原有纠错能力不变的同时显著提高量子Fisher信息量。
对于大规模量子纠错码,该研究进一步证明,经过噪声对称性优化后,量子Fisher信息量至少可以达到标准量子极限;在满足特定对称性条件时,还可以进一步达到海森堡极限。这一结果表明,原本主要用于抵抗噪声的量子纠错结构中,还蕴含着可以被主动利用的计量自由度。通过识别并利用这些隐藏在噪声空间中的对称性,可以在不削弱纠错能力的情况下显著提高量子传感器的参数灵敏度。