中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等人與同行合作，利用量子不確定因果序實(shí)現了超越海森堡極限精度的量子精密測量。
科研人員表示，這一實(shí)驗結果對不確定因果序和量子精密測量的理解均帶來(lái)了重要影響。目前，相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際期刊《自然・物理》。附 DOI:10.1038/s41567-023-02046-y。
量子不確定因果序的示意圖。藍色和紅色路線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)門(mén)的時(shí)序不同且處于量子疊加態(tài)。圖源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出一種新的量子結構，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(gè)事件處于兩個(gè)相反時(shí)序的量子疊加上。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，未能直接應用于量子精密測量任務(wù)中。
對此，科研人員設計了一種全新的雜化(hybrid)量子裝置，即用一個(gè)離散量子比特控制光子兩組連續變量的演化時(shí)序，實(shí)驗實(shí)現了不確定因果序，從而實(shí)現了對演化產(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反比于獨立演化過(guò)程的次數 N 的平方(δA∝1 / N2)。
實(shí)驗結果表明，這種新方法在實(shí)驗演示的范圍內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 中的藍色虛線(xiàn))的絕對優(yōu)勢，實(shí)驗結果逼近了理論上的超海森堡極限(下圖紅色實(shí)線(xiàn))。
實(shí)驗的測量精度。黑色方點(diǎn)為 N 個(gè)獨立演化過(guò)程的實(shí)驗測量精度，紅色實(shí)線(xiàn)為不確定因果序方法的超海森堡極限(δA=1 / N2)，藍色虛線(xiàn)為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限(δA=1 / N)。
據介紹，該實(shí)驗使用單個(gè)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(guò)單個(gè)光子的能量，從而實(shí)現了首個(gè)在規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)現的相對于確定因果序方法的提升可以直接轉化為在實(shí)際測量任務(wù)中的現實(shí)優(yōu)勢。該實(shí)驗對不確定因果序和量子精密測量的理解均帶來(lái)了重要影響。
