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中国科学技术大学同时实现“超海森堡极限”与海森堡极限的量子精密测量
2021-02-23 09:40
中国科学技术大学
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  中国科学技术大学郭光灿院士团队在多参数量子精密测量研究中取得重要实验进展。该团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授在量子精密测量实验中,首次实现了两个参数同时分别达到“超海森堡极限”和海森堡极限的最优测量。该研究成果2021年于2月18日在线发表在国际知名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,并被选作该期的封面文章。

  精密测量的精度随着消耗的资源增加而提高,数学上用T-k来描述,其中T为资源(如测量时间),k是评价不同测量方法优劣的最重要标准精度增长阶数。在诸如相位估计、磁力仪和量子陀螺仪等众多应用中,研究发现k在经典测量方法和量子测量方法中分别是0.5和1,分别被称作散粒噪声极限和海森堡极限。然而存在多体相互作用或含时演化的时候,人们发现k可以超越1,称之为“超海森堡极限”。目前这三种不同的精度极限在单参数量子测量实验中已经分别得以实现,但是海森堡不确定性关系是量子力学的根本限制,“超海森堡极限”是否真的是超海森堡仍存在争议。

  项国勇等人采用近年来着力发展的多参数量子精密测量平台[Nat. Commun. 9,1(2018); PRL 124,060502(2020); PRL 125,020501(2020)],研究测量旋转场的强度和频率两个参数中“超海森堡极限”和海森堡极限是否可以同时达到的问题。在本工作中,项国勇等人将控制增强的次序测量技术[PRL 123,040501(2019);Sci.Adv.7(1), eabd2986(2021)]进一步发展到多参数含时演化的测量中,通过优化量子系统动力学演化各个部分,实现了两个参数同时分别达到海森堡极限和“超海森堡极限”的最优测量,并阐明这两种精度极限都遵从海森堡不确定性关系,都是最优的量子精度极限。

  旋转场中的强度B和频率w测量精度增长阶数分别为k=1和2,同时达到“超海森堡极限”和海森堡极限。

  该成果加强了量子精密测量与海森堡不确定性关系两个领域的联系,促进了这两个领域的交叉发展,并且在实际测量问题中具有重要潜在应用价值。审稿人认为“Multiparameter estimation is an important problem for quantum metrology that has a wide range of applications, and I think this is a solid piece of work that is of sufficient novelty and merit to be published in PRL.(多参数估计不仅是量子精密测量的重要问题,而且有着广泛的应用。我认为这是一个具有足够的新颖性和价值的扎实的工作,值得在PRL发表)”

  中科院量子信息重点实验室副研究员侯志博和本科生金言(已毕业)为论文共同第一作者,通讯作者为中国科学技术大学项国勇教授和香港中文大学袁海东教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。

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