中国科大提出不需要共同参考系的分布式量子传感协议
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近日，我校郭光灿院士团队在分布式量子传感研究中取得突破性进展。该团队李传锋、陈耕等人提出一种反向编码协议，打破了由于共同参考系缺失造成的“禁戒定理”（No-go theorem）。相关成果发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。
大空间尺度下的分布式量子传感可以通过在多个观测点间分享量子纠缠，提升测量的准确性和精度。然而在真实场景中，由于不同观测点之间天然缺乏共同参考系而无法提取全局信息，这个限制是物理世界本征的局域性和对称性共同设置的“禁戒定理”。针对该难题，研究团队首次提出一种反向编码协议。该协议通过打破编码过程中的对称性，成功克服了这个“禁戒定理”，可在仅使用局域操作的情况下完全恢复量子费舍尔信息，并实现海森堡极限的测量精度。
图1：分布式量子传感场景
在量子信息处理中，精确的参考系如同航海中的“罗盘”或建筑中的“标尺”，是定义量子比特状态（如光子偏振、原子自旋）的基础。然而在分布式量子网络任务中，例如相距遥远的星载量子传感器或全球时钟同步网络，由于站点间的空间分离、相对运动或环境干扰等，建立一个精确统一的共享参考系往往极其困难甚至不可行。这种“标尺”的缺失会导致两类严重后果：一是受到“禁戒定理”的限制，即如果编码过程仅限于本地，那么参考系的平均效应将完全抹除所编码的信息，这也成为阻碍分布式量子传感走向实用化的核心瓶颈。二是产生类似退相干的噪声，破坏量子态的相干性。
针对这一挑战，研究团队不再试图耗费资源去“对齐标尺”，而是另辟蹊径，建立了一套全新的理论框架。研究人员提出一种基于两拷贝局域幺正不变网络态的“反向编码”策略。如果将参考系失准比作一种“旋转迷雾”，传统的同向编码方式会让信号淹没在迷雾中无法识别。而团队提出的“反向编码”策略，则是在两个量子态拷贝上施加相反的参数编码操作。这种操作巧妙地打破了拷贝之间的交换对称性，使得被编码的参数信息不再被“旋转迷雾”掩盖。
图2：两拷贝局域幺正不变“反向编码”协议
理论推导与数值模拟表明，该协议不仅能够通过多拷贝“免疫”参考系失准带来的噪声，还能在局域操作下完整地恢复量子费舍尔信息。更为关键的是，对于共享了纠缠态的N个观测点，该方案能够保持1/N的海森堡极限精度。此外，研究团队进一步证明仅需对本地的两个粒子采用简单的“局域贝尔态测量”就能以最优的方式提取全部信息，而无需额外的辅助量子比特或非局域操作。这一发现极大地降低了实验实现的复杂度。
该工作从理论上扫清了分布式量子传感在无共享参考系下应用的根本障碍，提出的方案基于现有的成熟的量子技术就可以实现。该协议为未来构建高精度的星地量子传感网络、分布式光钟等实际应用奠定坚实的理论基础。
论文的第一作者为中国科学技术大学博士生许华卿和李恭初。该研究得到了国家自然科学基金委、合肥国家实验室和中国科学技术大学等的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67771-9
（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-5066.html中国科大提出不需要共同参考系的分布式量子传感协议
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