中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)首次實現(xiàn)分布式量子相位估計的實驗驗證

來自中國科大的消息顯示，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xiàn)分布式量子相位估計的實驗驗證，這為將來構(gòu)建基于量子網(wǎng)絡(luò)的高精度量子傳感奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)了解，分布式傳感是一種可用于同時執(zhí)行遠(yuǎn)程空間多個節(jié)點上精密測量任務(wù)的重要手段，在日常生活、科學(xué)研究和工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如橋梁、飛機等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布和溫度場分布的有效監(jiān)測。

隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也邁進(jìn)了量子化時代。量子網(wǎng)絡(luò)作為量子信息和量子計算的重要組成，在執(zhí)行各類遠(yuǎn)程多節(jié)點任務(wù)中起著重要作用。當(dāng)對多個空間分布的參量進(jìn)行測量時，分布式量子傳感能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典統(tǒng)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：如何選擇并制備能夠?qū)崿F(xiàn)對多個參量最優(yōu)的測量精度的量子糾纏態(tài)呢？

研究表明，對于某類分布式的最大糾纏態(tài)，理論上能夠達(dá)到最優(yōu)測量精度，即海森堡極限。

針對這一重要問題，研究團(tuán)隊設(shè)計了最優(yōu)的測量方案，基于多光子量子糾纏，通過操縱六光子干涉儀，實驗演示了多個獨立的相移及其平均值測量。實驗結(jié)果顯示，利用分布式糾纏態(tài)進(jìn)行測量，其精度可以超越經(jīng)典傳感器的理論極限。

▲分布式量子傳感實驗裝置圖

同時，基于光子糾纏和相干性組合的方案，研究團(tuán)隊還進(jìn)一步實驗演示了多個空間相移的線性組合測量（參數(shù)數(shù)量總個數(shù)達(dá)到 21 個），與僅利用粒子糾纏的方案進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，該組合式方案不僅能夠增加可測量參數(shù)數(shù)量，還能提高測量精度。

基于這一實驗顯示，此項工作成功實現(xiàn)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(jié)構(gòu)情況下的測量精度，驗證了糾纏結(jié)構(gòu)對測量精度的增強效果，擴(kuò)展了資源利用率和可測量的參量數(shù)量，朝分布式量子傳感的實際應(yīng)用邁出了重要一步。

據(jù)悉，該成果于 11 月 30 日在國際學(xué)術(shù)知名期刊《自然 · 光子學(xué)》上在線發(fā)表，審稿人對該工作給予高度評價，稱贊這是一項 “重要的里程碑工作”。

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(dá)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(yīng)測量。國際上首個在實際測量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作，中國科大首次實現(xiàn)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(fā)表。

（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02487-z）

2. 量子弱測量方法的優(yōu)化。把單光子克爾效應(yīng)測量精度再次提升接近一個量級，實驗結(jié)果首次逼近了最優(yōu)海森堡極限。研究成果于 2018 年 8 月 8 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506）

3. 一般非對易信道參數(shù)測量。在一般非對易信道參數(shù)測量中，通過量子控制主動調(diào)控非對易的量子信道。研究成果于 2019 年 7 月 26 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501）

4. 糾纏態(tài)測量?？煽焖贆z驗出實際制備的多體糾纏態(tài)相對于目標(biāo)糾纏態(tài)的保真度，測量精度達(dá)到海森堡極限，更重要的是該方法所需測試樣本數(shù)不會隨著糾纏態(tài)規(guī)模增大而增加。研究成果于 2020 年 7 月 17 日在《物理評論快報》上發(fā)表。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506）

5. 單光子源量子精密測量。中國科大在基于單光子源的量子精密測量方面取得重要進(jìn)展，研究成果以 “編輯推薦”形式于 2020 年近日在《物理評論快報》上發(fā)表。同時，美國物理學(xué)會 Physics 網(wǎng)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道。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601）

6. 分布式量子精密測量。該成果于 11 月 30 日在《自然 · 光子學(xué)》上在線發(fā)表。

（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2）

責(zé)任編輯：PSY