中国科大多参数量子精密测量重要进展：达到海森堡极限最优测量

1月4日消息（余予）来自中国科大的消息显示，近日，中国科大郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授在多参数量子精密测量研究中取得重要实验进展，完全解决了量子比特幺正演化算法中三个参数之间的精度制衡问题，实现了三个参数同时达到海森堡极限的最优测量。

关于单参数与多参数量子精密测量，多参数比单参数要复杂很多，其每个参数的最优测量方案一般不兼容，参数之间存在精度制衡。如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数同时最优测量，是多参数量子精密测量的最重要问题之一。

据了解，项国勇等人近年来着力解决多参数量子精密测量中的精度制衡问题：首先在实验上发展了集体测量技术，减小了量子态测量和量子定向中的精度制衡问题；其次彻底优化了量子纠缠探针态，获得了磁场矢量测量的最小精度制衡。

为完全消除参数之间的精度制衡，项国勇等人将单参数测量实验中的控制增强的次序测量技术进一步发展到多参数测量中，通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中三个参数之间的精度制衡问题，实现了三个参数同时达到海森堡极限的最优测量，精度比经典方法提高了13.27dB。

量子比特幺正演化算符的三个参数同时实现最优测量的实验装置和实验结果。

基于这一实验，项国勇等人成功把多参数量子精密测量和海森堡不确定性关系结合起来，揭示了多个参数可以同时实现最优测量的物理本质是多个不确定性关系能够同时达到，这对量子精密测量和不确定性关系两个领域的交叉发展具有重要意义。

除此之外，该工作测量的量子比特幺正演化算符在实际测量问题中具有重要潜在应用价值，可用于描述三维磁场矢量测量和陀螺仪等众多实际多参数测量问题的演化过程。

中科院量子信息重点实验室副研究员侯志博和博士研究生唐俊峰为论文共同第一作者，通讯作者为我校项国勇教授和香港中文大学袁海东教授。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。

附：中国科大达到海森堡极限的量子精密测量成果（截至目前）

1.量子弱测量方法--单光子克尔效应测量。国际上首个在实际测量任务中达到海森堡极限精度的工作，中国科大首次实现海森堡极限的量子精密测量。研究成果2018年1月8日在《自然·通讯》上发表。

（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02487-z）

2. 量子弱测量方法的优化。把单光子克尔效应测量精度再次提升接近一个量级，实验结果首次逼近了最优海森堡极限。研究成果于2018年8月8日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506）

3. 一般非对易信道参数测量。在一般非对易信道参数测量中，通过量子控制主动调控非对易的量子信道。研究成果于2019年7月26日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501）

4. 纠缠态测量。可快速检验出实际制备的多体纠缠态相对于目标纠缠态的保真度，测量精度达到海森堡极限，更重要的是该方法所需测试样本数不会随着纠缠态规模增大而增加。研究成果于2020年7月17日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506）

5. 单光子源量子精密测量。中国科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得重要进展，研究成果以“编辑推荐”形式于2020年近日在《物理评论快报》上发表。同时，美国物理学会Physics网站以“面向完美的单光子源”（Toward a Perfect Single-Photon Source）为题专门对该工作做了高亮报道。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601）

6. 分布式量子精密测量。该成果于11月30日在《自然·光子学》上在线发表。

（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2）

7.多参数量子精密测量。通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中三个参数之间的精度制衡问题，实现了三个参数同时达到海森堡极限的最优测量，精度比经典方法提高了13.27dB。该研究成果2021年1月1日在线发表在国际知名期刊《科学·进展》上。

（论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986）

注：文中所述信息均从中国科学技术大学新闻网整理编辑。

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