中國科大實現超越海森堡極限精度的量子精密測量

(資料圖)

我校郭光燦院士團隊在量子精密測量的研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、陳耕等人與香港大學同行合作，利用量子不確定因果序實現了超越海森堡極限精度的量子精密測量。研究成果于5月1日以“Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order”為題發表在國際著名期刊《自然·物理》上。

量子精密測量致力于把量子力學原理運用到各種測量任務中以實現超過經典極限的測量精度。海森堡極限被認為是利用量子方法和資源所能達到的最終極限。之前國際上曾有一些工作聲稱超越了海森堡極限，然而這些工作利用了非線性效應或者包含了含時的哈密頓量，引起了廣泛討論，最終被理論上證明在以能量等作為規范化資源定義的前提下仍然會遵循海森堡極限。

圖1：量子不確定因果序的示意圖。藍色和紅色路線經過兩個門的時序不同且處于量子疊加態。

近年來，學術界提出一種新的量子結構，即量子不確定因果序。量子力學的疊加原理不僅允許不同量子本征態之間的疊加，也允許兩個事件處于兩個相反時序的量子疊加上（如圖1所示）。這樣一種新型的量子資源已經被證實可以在特定的量子計算和量子通信任務中提供優勢，然而此前工作都是基于離散變量體系，未能直接應用于量子精密測量任務中。

李傳鋒、陳耕等人設計了一種全新的雜化（hybrid）量子裝置，即用一個離散量子比特控制光子兩組連續變量的演化時序，實驗實現了不確定因果序，從而實現了對演化產生的幾何相位的超海森堡極限的精密測量，即測量的不確定度δＡ反比于獨立演化過程的次數N的平方（δＡ∝1/N2）。實驗結果表明，這種新方法在實驗演示的范圍內獲得了對確定因果序方法理論上的最高測量精度，即海森堡極限（δＡ∝1/N，圖2中的藍色虛線）的絕對優勢，實驗結果逼近了理論上的超海森堡極限（圖2中的紅色實線）。

該實驗使用單個光子作為探針，不存在光子間的相互作用，且單次測量所需要的能量不超過單個光子的能量，從而實現了首個在規范化資源定義下超越海森堡極限的實驗工作。實驗實現的相對于確定因果序方法的提升可以直接轉化為在實際測量任務中的現實優勢。

圖2：實驗的測量精度。黑色方點為N個獨立演化過程的實驗測量精度，紅色實線為不確定因果序方法的超海森堡極限（δＡ=1/N2），藍色虛線為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限（δＡ=1/N）。

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