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中國科大實現海森堡極限精度的一般信道參數測量
( 2019-08-02 )

  中國科大郭光燦院士團隊在量子精密測量研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、項國勇研究組與香港中文大學袁海東教授在一般非對易信道參數測量中,通過量子控制主動調控非對易的量子信道,國際首次以海森堡精度實現一般非對易信道參數的測量。該研究成果于7月26日在線發表在國際權威期刊《物理評論快報》上。


  精密測量是科學與技術發展的主要驅動力。當前,傳統精密測量技術中最先進的激光干涉引力波天文臺(LIGO)已經達到了傳統方法的精度極限,受到了標準量子精度極限(也稱散粒噪聲極限)的限制。新一代量子精密測量技術可以打破傳統方法中的散粒噪聲限制,可以達到海森堡精度極限。目前這種量子精密測量技術已經在最簡單對易信道-參數取不同值時對易的信道稱為對易信道-條件下的光學相位測量實驗中成功實現。但是,實際測量任務中,信道對易的條件一般并不滿足,非對易信道(參數取不同值時不對易的信道)無處不在,例如物體方向測量、量子陀螺儀、量子門層析等等。然而,非對易信道的量子精密測量具有迥異于對易信道測量的特點,例如量子精密測量的直接順序測量方法可以在對易信道中達到海森堡精度極限,但是在非對易信道中的精度甚至達不到傳統方法中的散粒噪聲精度極限。


  項國勇等人在實驗中通過引入量子控制把非對易的量子信道調控為對易量子信道,在國際上首次實現對一般非對易信道參數測量中達到海森堡精度極限。然而這里的最優控制一般需要自適應更新得到,他們從理論上找到了最優自適應無需更新的特殊時間點,這進一步提高了實驗的擴展性,在光學體系下成功完成了八次控制增強的順序測量,實驗精度趨于海森堡精度極限。此外,他們還找到了這種方法的直觀物理圖像,揭示了順序測量中每份資源中的有效信息是如何相干積累的,確定了量子控制在調控這些有效信息相干相長積累過程中的作用。



控制增強的次序測量示意圖,物理幾何圖像以及部分實驗結果


  相比于以前測量對易信道參數精密測量的實驗工作,該工作為更一般信道參數測量達到海森堡精度極限開辟了道路,也發展了利用量子控制調控量子信道從而提高量子精密測量精度的新方向。


  論文的第一作者為中科院量子信息重點實驗室副研究員侯志博,通訊作者為項國勇教授和香港中文大學袁海東教授。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的支持。


  論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501


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