中國(guó)科學(xué)報(bào)訊（記者王敏）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等人與香港大學(xué)同行合作，利用量子不確定因果序，實(shí)現(xiàn)了超越海森堡極限精度的量子精密測(cè)量。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-物理學(xué)》。

量子不確定因果序的示意圖。藍(lán)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)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

量子精密測(cè)量致力于把量子力學(xué)原理運(yùn)用到各種測(cè)量任務(wù)中，以實(shí)現(xiàn)超過(guò)經(jīng)典極限的測(cè)量精度。海森堡極限被認(rèn)為是利用量子方法和資源所能達(dá)到的最終極限。

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出了一種新的量子結(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)序的量子疊加中。這種新型量子資源已被證實(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)。

研究人員設(shè)計(jì)了一種全新的雜化量子裝置，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，進(jìn)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新方法在實(shí)驗(yàn)演示范圍內(nèi)獲得了對(duì)確定因果序方法理論上的最高測(cè)量精度，即海森堡極限的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果逼近理論上的超海森堡極限。

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(guò)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。該實(shí)驗(yàn)對(duì)不確定因果序和量子精密測(cè)量的理解均產(chǎn)生了重要影響。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02046-y