精密測量院等聯(lián)合在量子精密測量的理論研究方面取得系列新進(jìn)展

近日，精密測量院量子可積系統(tǒng)研究組組長管習(xí)文研究員，聯(lián)合意大利科學(xué)院光學(xué)研究所博士后史海龍博士，北歐理論物理研究所楊晶研究員，在量子精密測量的理論研究方面取得系列新進(jìn)展。相關(guān)研究工作分別發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《physical review letters》和該領(lǐng)域頗具影響的專業(yè)期刊《physical review b》上。

左圖: 在廣義相位估計任務(wù)中，局域相互作用和長程相互作用對相位估計精度產(chǎn)生實質(zhì)性影響。對于非糾纏初態(tài)而言，即便利用局域的多體相互作用哈密頓量來編碼參數(shù)，也難以使測量精度超越散粒噪聲極限。這表明，要實現(xiàn)參數(shù)估計的海森堡測量精度，長程相互作用以及初態(tài)糾纏是重要的量子資源。更多相關(guān)信息可參考《physical review letters》的相關(guān)文章

右圖：在光腔中放置三維銥鐵氧體(yig)晶體，(a)其產(chǎn)生的磁振子可感知弱磁場b。通過磁振子與光子動力學(xué)耦合，可將待估計參量b的信息傳遞給光子。(b)在可實現(xiàn)的實驗條件下，通過測量光子態(tài)的演化，實現(xiàn)對磁場的高精度估計(被稱為部分估計理論)。(c)利用單模光子壓縮態(tài)，在弱耦合區(qū)域可將弱磁場b的測量精度提升至光子數(shù)的海森堡極限。在強(qiáng)耦合區(qū)可以實現(xiàn)臨界增強(qiáng)的量子精密測量，更多相關(guān)信息請參閱《physical review b》快報letter文章

量子糾纏在量子信息處理領(lǐng)域具有重要價值。深入理解量子糾纏在量子測量學(xué)中的角色對于設(shè)計高精度量子測量技術(shù)至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的量子相位估計任務(wù)中，與非糾纏態(tài)相比，研究表明利用ghz型糾纏態(tài)能夠有效提高測量精度，將經(jīng)典散粒噪聲極限(shot noise limit, snl)提升至海森堡極限(heisenberg limit, hl)。這一發(fā)現(xiàn)不僅讓研究者認(rèn)識到糾纏是實現(xiàn)高精度量子測量的重要資源，同時也推動了對量子多體糾纏在度量學(xué)上理論描述的研究。然而，研究人員也發(fā)現(xiàn)在某些精密測量任務(wù)中，最優(yōu)量子態(tài)可能為非糾纏態(tài)。因此，深入理解量子精密測量中量子優(yōu)勢的來源是一項迫切需要解答的理論問題，尤其是針對超越量子相位估計任務(wù)的情況。

在《physical review letters》發(fā)表的相關(guān)研究工作中，研究團(tuán)隊通過在獨立傳感器之間引入量子多體相互作用來實現(xiàn)廣義相位估計任務(wù)(見左圖)。首先，研究人員推導(dǎo)出了量子費舍信息(quantum fisher information, qfi)在任意動力學(xué)和初始狀態(tài)下增長的普適界限。qfi作為量子計量學(xué)的核心概念，能夠用于量化參數(shù)估計的精度。通過將該界限應(yīng)用于廣義相位估計任務(wù)，并運用著名的lieb-robinson界限處理具有局域短程相互作用的情形，證明了對于非糾纏初態(tài)以及局域且有能隙的哈密頓量的非簡并基態(tài)情況，qfi無法超越snl。這一證明闡明了初態(tài)糾纏和長程相互作用在廣義相位估計任務(wù)中實現(xiàn)量子增強(qiáng)傳感的重要性，見左圖。此外，該研究還揭示了多體物理學(xué)、量子控制理論、量子混沌、算符增長以及量子混沌在量子計量學(xué)中的廣泛聯(lián)系。相關(guān)研究成果3月5日以“universal shot-noise limit for quantum metrology with local hamiltonians”為題發(fā)表。精密測量院量子可積課題組組長管習(xí)文研究員的畢業(yè)博士研究生、現(xiàn)意大利科學(xué)院光學(xué)研究所博士后史海龍博士為文章第一作者，并于在讀博士期間完成了主要計算工作;北歐理論物理研究所研究員楊晶為通訊作者，管習(xí)文參入合作研究。

在《physical review b》發(fā)表的相關(guān)研究工作中，研究團(tuán)隊研究了部分測估計理論中的高斯態(tài)精密測量任務(wù)，這里要求在實際實驗中只允許訪問系統(tǒng)的一部分(見右圖)。研究團(tuán)隊建立了qfi與兩體糾纏之間的確切關(guān)系，從而闡明了兩體糾纏在動力學(xué)編碼中的重要作用。然而，在測量過程中存在的兩體糾纏會顯著地降低了最終的測量精度。該研究闡述了這些結(jié)論有望在實驗可實現(xiàn)的腔磁系統(tǒng)中得到驗證。此外，研究團(tuán)隊進(jìn)一步證明，在弱耦合區(qū)域內(nèi)，測量精度可以達(dá)到海森堡極限。在強(qiáng)耦合區(qū)域，量子臨界性能夠有效增強(qiáng)測量精度。這項工作揭示了糾纏在量子精密測量任務(wù)中的作用，同時也為臨界增強(qiáng)的量子精密測量研究提供了重要的啟發(fā)。該工作1月16日以“quantum-enhanced metrology in cavity magnonics”為題以letter形式發(fā)表，精密測量院量子可積課題組博士研究生萬青昆及畢業(yè)博士研究生史海龍為共同第一作者，史海龍和管習(xí)文為共同通訊作者。

相關(guān)研究獲得國家自然科學(xué)基金項目、歐盟基金以及瑞典wallenberg網(wǎng)絡(luò)與量子信息研究計劃的支持。