中国科大实现多参数同时达到海森堡极限的量子精密测量

2021年01月04日

中国科大实现多参数同时达到海森堡极限的量子精密测量

我校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，完全消除了量子比特演化过程中三个待测参数之间的精度制衡，同时实现三个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高了13.27dB。该研究成果2021年1月1日在线发表在国际知名期刊《科学•进展》（Science Advances）上。

单参数量子精密测量是量子精密测量中最简单的问题，近三十年有了深入的理论和实验研究，甚至在引力波探测等问题中有了重要应用。但是实际测量情形通常包含了多个参数，例如磁力仪、量子陀螺仪、量子成像等。多参数量子精密测量比单参数测量要复杂很多，因为每个参数的最优测量方案一般不兼容，参数之间存在精度制衡。如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数同时最优测量，是多参数量子精密测量的最重要问题之一。

项国勇等人近年来着力解决多参数量子精密测量中的精度制衡问题，首先在实验上发展了集体测量技术，减小了量子态测量和量子定向中的精度制衡[Nat. Commun. 9,1(2018); PRL 124,060502(2020)]问题；其次彻底优化了量子纠缠探针态，获得了磁场矢量测量的最小精度制衡[PRL 125,020501(2020)]。虽然上述多参数测量问题中的精度制衡减小了，但是精度制衡依然存在。为了完全消除参数之间的精度制衡，项国勇等人在本工作中将单参数测量实验中的控制增强的次序测量技术[PRL 123,040501(2019)]进一步发展到多参数测量中，通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中三个参数之间的精度制衡问题，实现了三个参数同时达到海森堡极限的最优测量，精度比经典方法提高了13.27dB。

量子比特幺正演化算符的三个参数同时实现最优测量的实验装置和实验结果。

该工作中，项国勇等人成功把多参数量子精密测量和海森堡不确定性关系结合起来，揭示了多个参数可以同时实现最优测量的物理本质是多个不确定性关系能够同时达到，这对量子精密测量和不确定性关系两个领域的交叉发展具有重要意义。此外，该工作测量的量子比特幺正演化算符用于描述三维磁场矢量测量和陀螺仪等众多实际多参数测量问题的演化过程，因此在这些实际测量问题中具有重要潜在应用价值。

中科院量子信息重点实验室副研究员侯志博和博士研究生唐俊峰为论文共同第一作者，通讯作者为我校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。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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