中國(guó)科大在多參數(shù)量子精密測(cè)量研究中獲得重大發(fā)現(xiàn)

來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、項(xiàng)國(guó)勇研究組與香港中文大學(xué)袁海東教授在量子精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)參數(shù)同時(shí)分別達(dá)到“超海森堡極限”和海森堡極限的最優(yōu)測(cè)量，在多參數(shù)量子精密測(cè)量研究中取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

據(jù)悉，精密測(cè)量的精度會(huì)隨著消耗的資源增加而提高，數(shù)學(xué)上用T-k來(lái)描述，其中T為資源（如測(cè)量時(shí)間），k是評(píng)價(jià)不同測(cè)量方法優(yōu)劣的最重要標(biāo)準(zhǔn)精度增長(zhǎng)階數(shù)。在諸如相位估計(jì)、磁力儀和量子陀螺儀等眾多應(yīng)用中，研究發(fā)現(xiàn)k在經(jīng)典測(cè)量方法和量子測(cè)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(shí)演化的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)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(shù)量子測(cè)量實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)分別得以實(shí)現(xiàn)，但是海森堡不確定性關(guān)系是量子力學(xué)的根本限制，“超海森堡極限”是否真的是超海森堡仍存在爭(zhēng)議。針對(duì)這一爭(zhēng)議，項(xiàng)國(guó)勇等人采用近年來(lái)著力發(fā)展的多參數(shù)量子精密測(cè)量平臺(tái)，研究測(cè)量旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率兩個(gè)參數(shù)中“超海森堡極限”和海森堡極限是否可以同時(shí)達(dá)到的問(wèn)題。

研究過(guò)程中，項(xiàng)國(guó)勇等人將控制增強(qiáng)的次序測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展到多參數(shù)含時(shí)演化的測(cè)量中，通過(guò)優(yōu)化量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)參數(shù)同時(shí)分別達(dá)到海森堡極限和“超海森堡極限”的最優(yōu)測(cè)量，并闡明這兩種精度極限都遵從海森堡不確定性關(guān)系，都是最優(yōu)的量子精度極限。

旋轉(zhuǎn)場(chǎng)中的強(qiáng)度B和頻率w測(cè)量精度增長(zhǎng)階數(shù)分別為k=1和2，同時(shí)達(dá)到“超海森堡極限”和海森堡極限。

該研究成果于2021年2月18日在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表。這一成果加強(qiáng)了量子精密測(cè)量與海森堡不確定性關(guān)系兩個(gè)領(lǐng)域的聯(lián)系，促進(jìn)了這兩個(gè)領(lǐng)域的交叉發(fā)展，并且在實(shí)際測(cè)量問(wèn)題中具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)審稿人認(rèn)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(shù)估計(jì)不僅是量子精密測(cè)量的重要問(wèn)題，而且有著廣泛的應(yīng)用。我認(rèn)為這是一個(gè)具有足夠的新穎性和價(jià)值的扎實(shí)的工作，值得在PRL發(fā)表）”

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員侯志博和本科生金言（已畢業(yè)）為論文共同第一作者，通訊作者為我校項(xiàng)國(guó)勇教授和香港中文大學(xué)袁海東教授。該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。

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