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(jìn)展。該團隊李傳鋒、陳耕等人與香港大學(xué)同行合作，利用量子不確定因果序實(shí)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(fā)表在國際著(zhù)名期刊《自然·物理》上。
量子精密測量致力于把量子力學(xué)原理運用到各種測量任務(wù)中以實(shí)現超過(guò)經(jīng)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(chēng)超越了海森堡極限，然而這些工作利用了非線(xiàn)性效應或者包含了含時(shí)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(huì )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(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)門(mén)的時(shí)序不同且處于量子疊加態(tài)。
近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出一種新的量子結構，即量子不確定因果序。量子力學(xué)的疊加原理不僅允許不同量子本征態(tài)之間的疊加，也允許兩個(gè)事件處于兩個(gè)相反時(shí)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(jīng)被證實(shí)可以在特定的量子計算和量子通信任務(wù)中提供優(yōu)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(wù)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(gè)離散量子比特控制光子兩組連續變量的演化時(shí)序，實(shí)驗實(shí)現了不確定因果序，從而實(shí)現了對演化產(chǎn)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(guò)程的次數N的平方（δＡ∝1/N2）。實(shí)驗結果表明，這種新方法在實(shí)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(xiàn)）的絕對優(yōu)勢，實(shí)驗結果逼近了理論上的超海森堡極限（圖2中的紅色實(shí)線(xiàn)）。
該實(shí)驗使用單個(gè)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(guò)單個(gè)光子的能量，從而實(shí)現了首個(gè)在規范化資源定義下超越海森堡極限的實(shí)驗工作。實(shí)驗實(shí)現的相對于確定因果序方法的提升可以直接轉化為在實(shí)際測量任務(wù)中的現實(shí)優(yōu)勢。
圖2：實(shí)驗的測量精度。黑色方點(diǎn)為N個(gè)獨立演化過(guò)程的實(shí)驗測量精度，紅色實(shí)線(xiàn)為不確定因果序方法的超海森堡極限（δＡ=1/N2），藍色虛線(xiàn)為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限（δＡ=1/N）。
該實(shí)驗對不確定因果序和量子精密測量的理解均帶來(lái)了重要影響。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室已畢業(yè)博士研究生殷鵬、香港大學(xué)博士生趙曉斌為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02046-y
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院、科研部）
