量子精密測量的理論研究取得系列新進(jìn)展！
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】量子糾纏是一種奇怪的量子力學(xué)現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)改變。愛因斯坦稱這一糾纏現(xiàn)象為“遠(yuǎn)距離的幽靈行動”，它是量子物理學(xué)的一個基本組成部分。量子糾纏在量子信息處理領(lǐng)域具有重要價值。深入理解量子糾纏在量子測量學(xué)中的角色對于設(shè)計高精度量子測量技術(shù)至關(guān)重要。
近日，精密測量院量子可積系統(tǒng)研究組組長管習(xí)文研究員，聯(lián)合意大利科學(xué)院光學(xué)研究所博士后史海龍博士，北歐理論物理研究所楊晶研究員，在量子精密測量的理論研究方面取得系列新進(jìn)展。
在傳統(tǒng)的量子相位估計任務(wù)中，與非糾纏態(tài)相比，研究表明利用GHZ型糾纏態(tài)能夠有效提高測量精度，將經(jīng)典散粒噪聲極限(Shot Noise Limit, SNL)提升至海森堡極限(Heisenberg Limit, HL)。
這一發(fā)現(xiàn)不僅讓研究團(tuán)隊認(rèn)識到糾纏是實(shí)現(xiàn)高精度量子測量的重要資源，同時也推動了對量子多體糾纏在度量學(xué)上理論描述的研究。然而，研究人員也發(fā)現(xiàn)在某些精密測量任務(wù)中，最優(yōu)量子態(tài)可能為非糾纏態(tài)。因此，深入理解量子精密測量中量子優(yōu)勢的來源是一項迫切需要解答的理論問題，尤其是針對超越量子相位估計任務(wù)的情況。
研究團(tuán)隊通過在獨(dú)立傳感器之間引入量子多體相互作用來實(shí)現(xiàn)廣義相位估計任務(wù)。推導(dǎo)出了量子費(fèi)舍信息(Quantum Fisher Information, QFI)在任意動力學(xué)和初始狀態(tài)下增長的普適界限。QFI作為量子計量學(xué)的核心概念，能夠用于量化參數(shù)估計的精度。并通過將該界限應(yīng)用于廣義相位估計任務(wù)，并運(yùn)用著名的Lieb-Robinson界限處理具有局域短程相互作用的情形，證明了對于非糾纏初態(tài)以及局域且有能隙的哈密頓量的非簡并基態(tài)情況，QFI無法超越SNL。
這項證明闡明了初態(tài)糾纏和長程相互作用在廣義相位估計任務(wù)中實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)傳感的重要性。并且還揭示了多體物理學(xué)、量子控制理論、量子混沌、算符增長以及量子混沌在量子計量學(xué)中的廣泛聯(lián)系。
此外，在《Physical Review B》發(fā)表的相關(guān)研究工作中，研究團(tuán)隊建立了QFI與兩體糾纏之間的確切關(guān)系，從而闡明了兩體糾纏在動力學(xué)編碼中的重要作用。然而，在測量過程中存在的兩體糾纏會顯著地降低了最終的測量精度。該研究闡述了這些結(jié)論有望在實(shí)驗可實(shí)現(xiàn)的腔磁系統(tǒng)中得到驗證。
同時，研究團(tuán)隊進(jìn)一步證明，在弱耦合區(qū)域內(nèi)，測量精度可以達(dá)到海森堡極限。在強(qiáng)耦合區(qū)域，量子臨界性能夠有效增強(qiáng)測量精度。這項工作揭示了糾纏在量子精密測量任務(wù)中的作用，同時也為臨界增強(qiáng)的量子精密測量研究提供了重要的啟發(fā)。
相關(guān)研究工作分別發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Physical Review Letters》和該領(lǐng)域頗具影響的專業(yè)期刊《Physical Review B》上。
(資料來源：中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院)
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