同時達到 “超海森堡極限”和海森堡極限 中國科大取得重要實驗進展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本周一發(fā)布刊文《我院郭光燦院士團隊同時實現(xiàn)“超海森堡極限”與海森堡極限的量子精密測量》，以下為官方原文：

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)袁海東教授在量子精密測量實驗中，首次實現(xiàn)了兩個參數(shù)同時分別達到 “超海森堡極限”和海森堡極限的最優(yōu)測量，在多參數(shù)量子精密測量研究中取得重要實驗進展。

據(jù)悉，精密測量的精度會隨著消耗的資源增加而提高，數(shù)學(xué)上用 T-k 來描述，其中 T 為資源(如測量時間)，k 是評價不同測量方法優(yōu)劣的最重要標(biāo)準(zhǔn)精度增長階數(shù)。在諸如相位估計、磁力儀和量子陀螺儀等眾多應(yīng)用中，研究發(fā)現(xiàn) k 在經(jīng)典測量方法和量子測量方法中分別是 0.5 和 1，分別被稱作散粒噪聲極限和海森堡極限。然而存在多體相互作用或含時演化的時候，人們發(fā)現(xiàn) k 可以超越 1，稱之為 “超海森堡極限”。

目前這三種不同的精度極限在單參數(shù)量子測量實驗中已經(jīng)分別得以實現(xiàn)，但是海森堡不確定性關(guān)系是量子力學(xué)的根本限制，“超海森堡極限”是否真的是超海森堡仍存在爭議。針對這一爭議，項國勇等人采用近年來著力發(fā)展的多參數(shù)量子精密測量平臺，研究測量旋轉(zhuǎn)場的強度和頻率兩個參數(shù)中 “超海森堡極限”和海森堡極限是否可以同時達到的問題。

研究過程中，項國勇等人將控制增強的次序測量技術(shù)進一步發(fā)展到多參數(shù)含時演化的測量中，通過優(yōu)化量子系統(tǒng)動力學(xué)演化各個部分，實現(xiàn)了兩個參數(shù)同時分別達到海森堡極限和 “超海森堡極限”的最優(yōu)測量，并闡明這兩種精度極限都遵從海森堡不確定性關(guān)系，都是最優(yōu)的量子精度極限。

旋轉(zhuǎn)場中的強度 B 和頻率 w 測量精度增長階數(shù)分別為 k=1 和 2，同時達到 “超海森堡極限”和海森堡極限。

該研究成果于 2021 年 2 月 18 日在國際知名期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表。這一成果加強了量子精密測量與海森堡不確定性關(guān)系兩個領(lǐng)域的聯(lián)系，促進了這兩個領(lǐng)域的交叉發(fā)展，并且在實際測量問題中具有重要潛在應(yīng)用價值。

中科院量子信息重點實驗室副研究員侯志博和本科生金言(已畢業(yè))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。

關(guān)鍵詞： 實驗 量子 中國科大