中國科技大學學者實現高精度量子相位測量

    本報訊 日前，中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室郭光燦院士領導的量子光學小組實現了高精度的量子相位測量，衝破了「標準量子極限」，並十分接近於量子力學的理論極限——海森堡極限。這種新穎的相位測量方案原則上突破了因測量引發光子數損耗的局限，可望在其他物理量的高精度測量中得到重要應用。該項成果發表在最新一期的《歐洲物理快訊》上。審稿人認為：「該測量方案以及理論分析都是原創性的工作。」

    利用高精度的測量方法，物理學家可以發現新的物理現象、發展新的物理理論。然而，物理量的測量精度受量子力學基本原理——海森堡不確定性原理的限制。在與時間、距離等基礎物理量有關的相位測量中，其測量精度與所用粒子數N的不確定度成反比，最高精度可以達到平均粒子數的倒數(1/N)，即海森堡極限。業已證明，海森堡極限是量子力學所允許的最高極限。而受噪聲所限的標準量子極限(即噪聲極限)一般是平均粒子數平方根的倒數。已經有很多實驗演示了測量精度超過標準量子極限，如基於壓縮態和多光子幹涉方法。但是，由於固有損耗的存在，其測量精度無法逼近海森堡極限，甚至隨光子數的增加而變得更差。

    如何提高物理量的測量精度已經成為物理學家理解物理學機制的關鍵。郭光燦指導的兩位博士生孫方穩和柳必恆利用雙模光子數態和自己獨創的多光子投影測量方法，克服了因為投影測量而引起的光子數損耗難題，使得相位測量精度原則上可以逼近海森堡極限。基於多光子態的相干效應，光子數最大糾纏態在理論上可以達到海森堡極限。然而這個光子數最大糾纏態本身很難製備，更為嚴重的是，該投影測量原則上就會引起光子損耗，導致實際的測量精度遠小於海森堡極限。他們設計的測量相位的有效方案，避免了光子損耗，當光子數很大時，其測量精度可以達到1.4/N，並在實驗上利用參量下轉換產生的雙光子和四光子演示了少數光子的高精度相位測量。實驗得到的相位精度分別為0.506和0.291，超過了相應的標準量子極限0.707和0.5。

    該項成果發表後，美國物理學科網站對第一作者孫方穩博士進行了採訪，並在第一時間以《測量精度衝破了標準量子極限》為題作了報導，數十家國內外網站迅速轉載。