中國實現(xiàn)超海森堡極限、海森堡極限量子精密測量

來自中國科技大學(xué)的消息顯示，該校郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、項國勇研究組與香港中文大學(xué)袁海東教授在量子精密測量實驗中，首次實現(xiàn)了兩個參數(shù)同時分別達(dá)到“超海森堡極限”和海森堡極限的最優(yōu)測量，在多參數(shù)量子精密測量研究中取得重要實驗進(jìn)展。

據(jù)悉，精密測量的精度會隨著消耗的資源增加而提高，數(shù)學(xué)上用T-k來描述，其中T為資源(如測量時間)、k是評價不同測量方法優(yōu)劣的最重要標(biāo)準(zhǔn)精度增長階數(shù)。

在諸如相位估計、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)典測量方法和量子測量方法中分別是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演化的時候，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)量子測量實驗中已經(jīng)分別得以實現(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議。

針對這一爭議，項國勇等人采用近年來著力發(fā)展的多參數(shù)量子精密測量平臺，研究測量旋轉(zhuǎn)場的強(qiáng)度和頻率兩個參數(shù)中“超海森堡極限”和海森堡極限是否可以同時達(dá)到的問題。

研究過程中，項國勇等人將控制增強(qiáng)的次序測量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展到多參數(shù)含時演化的測量中，通過優(yōu)化量子系統(tǒng)動力學(xué)演化各個部分，實現(xiàn)了兩個參數(shù)同時分別達(dá)到海森堡極限和“超海森堡極限”的最優(yōu)測量，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。

這一成果加強(qiáng)了量子精密測量與海森堡不確定性關(guān)系兩個領(lǐng)域的聯(lián)系，促進(jìn)了這兩個領(lǐng)域的交叉發(fā)展，并且在實際測量問題中具有重要潛在應(yīng)用價值。

該研究成果于2021年2月18日在國際知名期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表。

相關(guān)審稿人認(rèn)為：“多參數(shù)估計不僅是量子精密測量的重要問題，而且有著廣泛的應(yīng)用。我認(rèn)為這是一個具有足夠的新穎性和價值的扎實的工作，值得在PRL發(fā)表。”(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)

該項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。