中國科大多參數量子精密測量獲得重要進展:達到海森堡極限最優測量

2021-01-20 IT之家

來自中國科大的消息顯示，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袁海東教授在多參數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么正演化算法中三個參數之間的精度制衡問題，實現了三個參數同時達到海森堡極限的最優測量。

關於單參數與多參數量子精密測量，多參數比單參數要複雜很多，其每個參數的最優測量方案一般不兼容，參數之間存在精度制衡。如何減少參數之間的精度制衡以實現多參數同時最優測量，是多參數量子精密測量的最重要問題之一。

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

為完全消除參數之間的精度制衡，項國勇等人將單參數測量實驗中的控制增強的次序測量技術進一步發展到多參數測量中，通過調控量子系統動力學演化，完全解決了量子比特么正演化算法中三個參數之間的精度制衡問題，實現了三個參數同時達到海森堡極限的最優測量，精度比經典方法提高了 13.27dB。

量子比特么正演化算符的三個參數同時實現最優測量的實驗裝置和實驗結果。

基於這一實驗，項國勇等人成功把多參數量子精密測量和海森堡不確定性關係結合起來，揭示了多個參數可以同時實現最優測量的物理本質是多個不確定性關係能夠同時達到，這對量子精密測量和不確定性關係兩個領域的交叉發展具有重要意義。

除此之外，該工作測量的量子比特么正演化算符在實際測量問題中具有重要潛在應用價值，可用於描述三維磁場矢量測量和陀螺儀等眾多實際多參數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袁海東教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的支持。

附：中國科大達到海森堡極限的量子精密測量成果（截至目前）

1. 量子弱測量方法 -- 單光子克爾效應測量。國際上首個在實際測量任務中達到海森堡極限精度的工作，中國科大首次實現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》上發表。

（論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02487-z）

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

（論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506）

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

（論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501）

4. 糾纏態測量。可快速檢驗出實際製備的多體糾纏態相對於目標糾纏態的保真度，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不會隨著糾纏態規模增大而增加。研究成果於 2020 年 7 月 17 日在《物理評論快報》上發表。

（論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506）

5. 單光子源量子精密測量。中國科大在基於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」形式於 2020 年近日在《物理評論快報》上發表。同時，美國物理學會 Physics 網站以 「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導。

（論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601）

6. 分布式量子精密測量。該成果於 11 月 30 日在《自然 · 光子學》上在線發表。

（論文連結：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2）

7. 多參數量子精密測量。通過調控量子系統動力學演化，完全解決了量子比特么正演化算法中三個參數之間的精度制衡問題，實現了三個參數同時達到海森堡極限的最優測量，精度比經典方法提高了 13.27dB。該研究成果 2021 年 1 月 1 日在線發表在國際知名期刊《科學 · 進展》上。

（論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986）

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