多參數(shù)量子精密測量領(lǐng)域新突破 中國科技大學(xué)團隊獲得重要進展

近日，中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒、項國勇研究組與香港中文大學(xué)袁海東教授在多參數(shù)量子精密測量研究中取得重要實驗進展，完全解決了量子比特幺正演化算法中三個參數(shù)之間的精度制衡問題，實現(xiàn)了三個參數(shù)同時達到海森堡極限的最優(yōu)測量。

關(guān)于單參數(shù)與多參數(shù)量子精密測量，多參數(shù)比單參數(shù)要復(fù)雜很多，其每個參數(shù)的最優(yōu)測量方案一般不兼容，參數(shù)之間存在精度制衡。如何減少參數(shù)之間的精度制衡以實現(xiàn)多參數(shù)同時最優(yōu)測量，是多參數(shù)量子精密測量的最重要問題之一。

據(jù)了解，項國勇等人近年來著力解決多參數(shù)量子精密測量中的精度制衡問題：首先在實驗上發(fā)展了集體測量技術(shù)，減小了量子態(tài)測量和量子定向中的精度制衡問題;其次徹底優(yōu)化了量子糾纏探針態(tài)，獲得了磁場矢量測量的最小精度制衡。

為完全消除參數(shù)之間的精度制衡，項國勇等人將單參數(shù)測量實驗中的控制增強的次序測量技術(shù)進一步發(fā)展到多參數(shù)測量中，通過調(diào)控量子系統(tǒng)動力學(xué)演化，完全解決了量子比特幺正演化算法中三個參數(shù)之間的精度制衡問題，實現(xiàn)了三個參數(shù)同時達到海森堡極限的最優(yōu)測量，精度比經(jīng)典方法提高了 13.27dB。

量子比特幺正演化算符的三個參數(shù)同時實現(xiàn)最優(yōu)測量的實驗裝置和實驗結(jié)果。

基于這一實驗，項國勇等人成功把多參數(shù)量子精密測量和海森堡不確定性關(guān)系結(jié)合起來，揭示了多個參數(shù)可以同時實現(xiàn)最優(yōu)測量的物理本質(zhì)是多個不確定性關(guān)系能夠同時達到，這對量子精密測量和不確定性關(guān)系兩個領(lǐng)域的交叉發(fā)展具有重要意義。

除此之外，該工作測量的量子比特幺正演化算符在實際測量問題中具有重要潛在應(yīng)用價值，可用于描述三維磁場矢量測量和陀螺儀等眾多實際多參數(shù)測量問題的演化過程。

中科院量子信息重點實驗室副研究員侯志博和博士研究生唐俊峰為論文共同第一作者，通訊作者為我校項國勇教授和香港中文大學(xué)袁海東教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。

1. 量子弱測量方法 -- 單光子克爾效應(yīng)測量。國際上首個在實際測量任務(wù)中達到海森堡極限精度的工作，中國科大首次實現(xiàn)海森堡極限的量子精密測量。研究成果 2018 年 1 月 8 日在《自然 · 通訊》上發(fā)表。

2. 量子弱測量方法的優(yōu)化。把單光子克爾效應(yīng)測量精度再次提升接近一個量級，實驗結(jié)果首次逼近了最優(yōu)海森堡極限。研究成果于 2018 年 8 月 8 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

3. 一般非對易信道參數(shù)測量。在一般非對易信道參數(shù)測量中，通過量子控制主動調(diào)控非對易的量子信道。研究成果于 2019 年 7 月 26 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

4. 糾纏態(tài)測量?？煽焖贆z驗出實際制備的多體糾纏態(tài)相對于目標(biāo)糾纏態(tài)的保真度，測量精度達到海森堡極限，更重要的是該方法所需測試樣本數(shù)不會隨著糾纏態(tài)規(guī)模增大而增加。研究成果于 2020 年 7 月 17 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

5. 單光子源量子精密測量。中國科大在基于單光子源的量子精密測量方面取得重要進展，研究成果以 “編輯推薦”形式于 2020 年近日在《物理評論快報》上發(fā)表。同時，美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)站以 “面向完美的單光子源”(Toward a Perfect Single-Photon Source)為題專門對該工作做了高亮報道。

6. 分布式量子精密測量。該成果于 11 月 30 日在《自然 · 光子學(xué)》上在線發(fā)表。

7. 多參數(shù)量子精密測量。通過調(diào)控量子系統(tǒng)動力學(xué)演化，完全解決了量子比特幺正演化算法中三個參數(shù)之間的精度制衡問題，實現(xiàn)了三個參數(shù)同時達到海森堡極限的最優(yōu)測量，精度比經(jīng)典方法提高了 13.27dB。該研究成果 2021 年 1 月 1 日在線發(fā)表在國際知名期刊《科學(xué) · 進展》上。

關(guān)鍵詞： 中國科技大學(xué)