中國科大在分布式量子精密測量方面取得重要進展

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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基礎。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。

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，該項技術可用於橋梁、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的一個重要問題是：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。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。

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。基於光子糾纏和相干性組合的方案，研究團隊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對比，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。

該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。《自然·光子學》雜誌的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」（constitutes a significant milestone）。

分布式量子傳感實驗裝置圖

該工作得到科技部，國家基金委，中科院和安徽省等資助。

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

新聞來源：合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部

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