通用測量和反饋設置的圖示，由開放量子系統(tǒng)和具有有限帶寬γ的探測器組成。探測器連續(xù)測量可觀察的任意系統(tǒng)。測量強度λ決定了測量回作用。使用測量結(jié)果D應用連續(xù)反饋來控制系統(tǒng)的Liouville超級操作員L（D）。時間軌跡可視化系統(tǒng)狀態(tài)S（t）和測量記錄D（t）的軌跡。圖片來源：物理評論信（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.050401

隨著現(xiàn)代技術(shù)的規(guī)模縮小到納米級，奇怪的量子效應——如量子隧穿、疊加和糾纏——變得突出。這為量子技術(shù)的新時代打開了大門，量子效應可以被利用。許多日常技術(shù)經(jīng)常使用反饋控制;一個重要的例子是起搏器，它必須監(jiān)測用戶的心跳，并在需要時應用電信號來控制它。但物理學家對量子層面的反饋控制還沒有同等的理解。現(xiàn)在，物理學家已經(jīng)開發(fā)出一種“主方程”，可以幫助工程師理解量子尺度的反饋。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》雜志上。

“研究如何在量子技術(shù)中使用反饋控制至關重要，以便開發(fā)高效，快速的控制量子系統(tǒng)的方法，以便可以實時和高精度地操縱它們，”共同作者Bj?rn Annby-Andersson說，他是瑞典隆德大學的量子物理學家。

量子計算中關鍵反饋控制過程的一個例子是量子糾錯。量子計算機對物理量子比特的信息進行編碼，例如，量子比特可以是光子或原子。但是量子比特的量子特性是脆弱的，因此如果量子比特受到振動或波動電磁場的干擾，編碼的信息很可能會丟失。這意味著物理學家需要能夠檢測和糾正這些錯誤，例如通過使用反饋控制。這種糾錯可以通過測量量子位的狀態(tài)來實現(xiàn)，如果檢測到與預期偏差，則應用反饋進行校正。

但量子層面的反饋控制帶來了獨特的挑戰(zhàn)，正是因為物理學家試圖減輕這種脆弱性。這種微妙的本質(zhì)意味著，即使是反饋過程本身也可能破壞系統(tǒng)?！坝斜匾慌c測量系統(tǒng)進行微弱的交互，保留我們想要利用的屬性，”Annby-Andersson說。

因此，重要的是要對量子反饋控制有充分的理論理解，以確定其基本極限。但大多數(shù)現(xiàn)有的量子反饋控制理論模型都需要計算機模擬，這通常只為特定系統(tǒng)提供定量結(jié)果?！昂茈y得出一般的定性結(jié)論，”Annby-Andersson說。“少數(shù)可以提供定性理解的模型僅適用于一類狹窄的反饋控制系統(tǒng) – 這種類型的反饋通常被稱為線性反饋。

“筆和紙”

Annby-Andersson和他的同事們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了一個主方程，稱為“量子?？?普朗克方程”，使物理學家能夠通過反饋控制來跟蹤任何量子系統(tǒng)的演變。“這個方程可以描述超越線性反饋的場景，”Annby-Andersson說?！疤貏e是，這個方程可以用筆和紙來解決，而不必依賴計算機模擬。

該團隊通過將方程式應用于簡單的反饋模型來測試他們的方程。這證實了該方程提供了物理上合理的結(jié)果，并且還展示了如何使用反饋控制在微觀系統(tǒng)中收集能量?！斑@個方程是未來研究如何在微觀層面上的信息的幫助下操縱能量的有希望的起點，”Annby-Andersson說。

該團隊現(xiàn)在正在研究一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用反饋來操縱“量子點”中的能量 – 微小的半導體晶體，直徑僅為十億分之一米?！耙粋€重要的未來方向是使用這個方程作為發(fā)明可用于量子技術(shù)的新型反饋協(xié)議的工具，”Annby-Andersson說。