重要裡程碑!中國科大在分布式量子精密測量方面取得重要進展

2020-12-05 極客網FromGeek

12月1日消息（餘予）來自中國科大的消息顯示，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等利用多光子量子糾纏在國際上首次實現分布式量子相位估計的實驗驗證，這為將來構建基於量子網絡的高精度量子傳感奠定了基礎。

據了解，分布式傳感是一種可用於同時執行遠程空間多個節點上精密測量任務的重要手段，在日常生活、科學研究和工程等領域有著廣泛的應用，例如橋梁、飛機等大型結構的應力場分布和溫度場分布的有效監測。

隨著量子技術的不斷發展，傳感技術也邁進了量子化時代。量子網絡作為量子信息和量子計算的重要組成，在執行各類遠程多節點任務中起著重要作用。當對多個空間分布的參量進行測量時，分布式量子傳感能夠實現超越經典統計極限的測量精度。

然而，分布式量子傳感面對著一個重要問題：如何選擇並製備能夠實現對多個參量最優的測量精度的量子糾纏態呢？

研究表明，對於某類分布式的最大糾纏態，理論上能夠達到最優測量精度，即海森堡極限。

針對這一重要問題，研究團隊設計了最優的測量方案，基於多光子量子糾纏，通過操縱六光子幹涉儀，實驗演示了多個獨立的相移及其平均值測量。實驗結果顯示，利用分布式糾纏態進行測量，其精度可以超越經典傳感器的理論極限。

分布式量子傳感實驗裝置圖

同時，基於光子糾纏和相干性組合的方案，研究團隊還進一步實驗演示了多個空間相移的線性組合測量（參數數量總個數達到21個），與僅利用粒子糾纏的方案進行對比。結果顯示，該組合式方案不僅能夠增加可測量參數數量，還能提高測量精度。

基於這一實驗顯示，此項工作成功實現了多參量分布式量子傳感的原理性實驗驗證，評估了不同糾纏結構情況下的測量精度，驗證了糾纏結構對測量精度的增強效果，擴展了資源利用率和可測量的參量數量，朝分布式量子傳感的實際應用邁出了重要一步。

據悉，該成果於11月30日在國際學術知名期刊《自然·光子學》上在線發表，審稿人對該工作給予高度評價，稱讚這是一項「重要的裡程碑工作」。

除此之外，該工作得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省等資助。

附：中國科大達海到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：http://www.fromgeek.com/uploadfile/2020/1201/20201201151024353G 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

美國物理學會報導：https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.s127

歐盟計量研究項目「量子坎德拉」：http://www.quantumcandela.org/project.html）

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：http://www.fromgeek.com/uploadfile/2020/1201/20201201151031354G

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