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中国科大再创海森堡极限量子精密测量的最高测量精度

2018-08-13

中国科大郭光灿院士团队再创量子精密测量领域最高测量精度,该团队李传锋、陈耕等人与南京大学合作者优化量子弱测量的测量方法,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。该研究成果8月8日发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。


利用有限的资源实现更高的测量精度是科学发展的重要需求,量子精密测量是近年来在此需求驱动下兴起的量子信息领域的新方向。量子精密测量的重要目标是使测量精度反比于单次测量所使用的光子或原子等的数目n,即达到海森堡极限精度。而经典测量方法的精度只能达到反比于根号下n,即所谓的标准量子极限。显然,当n较大时量子精密测量的精度将远优于经典测量方法的精度。已有量子精密测量方法普遍需要利用纠缠态或压缩态等量子资源,受限于现有技术,而且这些方法尚不具备实用性。李传锋研究组在此前工作中独辟蹊径,将混态探针和虚部弱测量技术相结合,实现了海森堡极限精度的单光子克尔效应测量,当时探针光子的利用率为16%[Nature Communications 9, 93 (2018)]。在本工作中,研究组进一步优化测量方法,对单光子进行投影测量以提取更多的信息,从而把探针光子的利用率提升到83%(即测量精度约为1.2/n),首次逼近了最优海森堡极限(1/n)。实验上测得的单光子克尔效应强度约为6E-8弧度,测量精度与该研究组上一个实验相比提升近一个量级,达到了9.5E-11弧度。测量装置也变得更加简单,用普通的激光脉冲即可完成实验。


本成果展现了量子精密测量在实际测量任务中的优越性,为量子精密测量及量子弱测量发展提供了新的思路。本实验考虑的是单光子克尔效应这一特定任务,如何把这种高效的实验方法推广到各种重要的实际应用场景将是研究组进一步探索的问题。


文章第一作者为陈耕副研究员。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。


图1.测量单光子克尔效应的实验装置图


图2.测量精度随着光子数n的改变呈现出1.2/n的反比关系


文章链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506


(来源:中国科学技术大学)

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