中國科大同時實現「超海森堡極限」與海森堡極限的量子精密測量

來自中國科大的消息顯示,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量子精密測量實驗中,首次實現了兩個參數同時分別達到「超海森堡極限」和海森堡極限的最優測量,在多參數量子精密測量研究中取得重要實驗進展。

據悉,精密測量的精度會隨着消耗的資源增加而提高,數學上用T-k來描述,其中T為資源(如測量時間),k是評價不同測量方法優劣的最重要標准精度增長階數。在諸如相位估計、磁力儀和量子陀螺儀等眾多應用中,研究發現k在經典測量方法和量子測量方法中分別是0.5和1,分別被稱作散粒噪聲極限和海森堡極限。然而存在多體相互作用或含時演化的時候,人們發現k可以超越1,稱之為「超海森堡極限」。

目前這三種不同的精度極限在單參數量子測量實驗中已經分別得以實現,但是海森堡不確定性關系是量子力學的根本限制,「超海森堡極限」是否真的是超海森堡仍存在爭議。針對這一爭議,項國勇等人採用近年來着力發展的多參數量子精密測量平台,研究測量旋轉場的強度和頻率兩個參數中「超海森堡極限」和海森堡極限是否可以同時達到的問題。

研究過程中,項國勇等人將控制增強的次序測量技術進一步發展到多參數含時演化的測量中,通過優化量子系統動力學演化各個部分,實現了兩個參數同時分別達到海森堡極限和「超海森堡極限」的最優測量,並闡明這兩種精度極限都遵從海森堡不確定性關系,都是最優的量子精度極限。

中國科大同時實現「超海森堡極限」與海森堡極限的量子精密測量
旋轉場中的強度B和頻率w測量精度增長階數分別為k=1和2,同時達到「超海森堡極限」和海森堡極限。

該研究成果於2021年2月18日在國際知名期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表。這一成果加強了量子精密測量與海森堡不確定性關系兩個領域的聯系,促進了這兩個領域的交叉發展,並且在實際測量問題中具有重要潛在應用價值。

相關審稿人認為「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.(多參數估計不僅是量子精密測量的重要問題,而且有着廣泛的應用。我認為這是一個具有足夠的新穎性和價值的扎實的工作,值得在PRL發表)」

中科院量子信息重點實驗室副研究員侯志博和本科生金言(已畢業)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。

論文鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.070503

來源:cnBeta