中國科大實(shí)現(xiàn)超越海森堡極限精度的量子精密測量

我校郭光燦院士團(tuán)隊在量子精密測量的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)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?qū)崿F(xiàn)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(yùn)用到各種測量任務(wù)中以實(shí)現(xiàn)超過經(jīng)典極限的測量精度。海森堡極限被認(rèn)為是利用量子方法和資源所能達(dá)到的最終極限。之前國際上曾有一些工作聲稱超越了海森堡極限，然而這些工作利用了非線性效應(yīng)或者包含了含時的哈密頓量，引起了廣泛討論，最終被理論上證明在以能量等作為規(guī)范化資源定義的前提下仍然會遵循海森堡極限。

圖1：量子不確定因果序的示意圖。藍(lán)色和紅色路線經(jīng)過兩個門的時序不同且處于量子疊加態(tài)。

近年來，學(xué)術(shù)界提出一種新的量子結(jié)構(gòu)，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，也允許兩個事件處于兩個相反時序的量子疊加上（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(yīng)用于量子精密測量任務(wù)中。

李傳鋒、陳耕等人設(shè)計了一種全新的雜化（hybrid）量子裝置，即用一個離散量子比特控制光子兩組連續(xù)變量的演化時序，實(shí)驗實(shí)現(xiàn)了不確定因果序，從而實(shí)現(xiàn)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(dú)立演化過程的次數(shù)N的平方（δＡ∝1/N2）。實(shí)驗結(jié)果表明，這種新方法在實(shí)驗演示的范圍內(nèi)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(lán)色虛線）的絕對優(yōu)勢，實(shí)驗結(jié)果逼近了理論上的超海森堡極限（圖2中的紅色實(shí)線）。

該實(shí)驗使用單個光子作為探針，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單個光子的能量，從而實(shí)現(xiàn)了首個在規(guī)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(xiàn)的相對于確定因果序方法的提升可以直接轉(zhuǎn)化為在實(shí)際測量任務(wù)中的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢。

圖2：實(shí)驗的測量精度。黑色方點(diǎn)為N個獨(dú)立演化過程的實(shí)驗測量精度，紅色實(shí)線為不確定因果序方法的超海森堡極限（δＡ=1/N2），藍(lán)色虛線為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限（δＡ=1/N）。