中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等人與同行合作，利用量子不確定因果序?qū)崿F(xiàn)了超越海森堡極限精度的量子精密測(cè)量。
科研人員表示，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不確定因果序和量子精密測(cè)量的理解均帶來了重要影響。目前，相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)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(lán)色和紅色路線經(jīng)過兩個(gè)門的時(shí)序不同且處于量子疊加態(tài)。圖源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
近年來，學(xué)術(shù)界提出一種新的量子結(jié)構(gòu)，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(jì)算和量子通信任務(wù)中提供優(yōu)勢(shì)，然而此前工作都是基于離散變量體系，未能直接應(yīng)用于量子精密測(cè)量任務(wù)中。
對(duì)此，科研人員設(shè)計(jì)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(xù)變量的演化時(shí)序，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了不確定因果序，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)演化產(chǎn)生的幾何相位的超海森堡極限的精密測(cè)量，即測(cè)量的不確定度 δA反比于獨(dú)立演化過程的次數(shù) N 的平方(δA∝1 / N2)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新方法在實(shí)驗(yàn)演示的范圍內(nèi)獲得了對(duì)確定因果序方法理論上的最高測(cè)量精度，即海森堡極限(δA∝1 / N，圖 2 中的藍(lán)色虛線)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果逼近了理論上的超海森堡極限(下圖紅色實(shí)線)。
實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度。黑色方點(diǎn)為 N 個(gè)獨(dú)立演化過程的實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度，紅色實(shí)線為不確定因果序方法的超海森堡極限(δA=1 / N2)，藍(lán)色虛線為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限(δA=1 / N)。
據(jù)介紹，該實(shí)驗(yàn)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(cè)量所需要的能量不超過單個(gè)光子的能量，從而實(shí)現(xiàn)了首個(gè)在規(guī)范化資源定義下超越海森堡極限的實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的相對(duì)于確定因果序方法的提升可以直接轉(zhuǎn)化為在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)。該實(shí)驗(yàn)對(duì)不確定因果序和量子精密測(cè)量的理解均帶來了重要影響。
