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      精密測量院等聯合在量子精密測量的理論研究方面取得系列新進展

      2024-03-15 10:44:04精密測量院等閱讀量:44 我要評論


      導讀:近日,精密測量院量子可積系統研究組組長管習文研究員,聯合意大利科學院光學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展。

        近日,精密測量院量子可積系統研究組組長管習文研究員,聯合意大利科學院光學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展。相關研究工作分別發表在物理學領域頂級期刊《Physical Review Letters》和該領域頗具影響的專業期刊《Physical Review B》上。
       
        左圖: 在廣義相位估計任務中,局域相互作用和長程相互作用對相位估計精度產生實質性影響。對于非糾纏初態而言,即便利用局域的多體相互作用哈密頓量來編碼參數,也難以使測量精度超越散粒噪聲極限。這表明,要實現參數估計的海森堡測量精度,長程相互作用以及初態糾纏是重要的量子資源。更多相關信息可參考《Physical Review Letters》的相關文章
       
        右圖:在光腔中放置三維銥鐵氧體(YIG)晶體,(a)其產生的磁振子可感知弱磁場B。通過磁振子與光子動力學耦合,可將待估計參量B的信息傳遞給光子。(b)在可實現的實驗條件下,通過測量光子態的演化,實現對磁場的高精度估計(被稱為部分估計理論)。(c)利用單模光子壓縮態,在弱耦合區域可將弱磁場B的測量精度提升至光子數的海森堡極限。在強耦合區可以實現臨界增強的量子精密測量,更多相關信息請參閱《Physical Review B》快報Letter文章
       
        量子糾纏在量子信息處理領域具有重要價值。深入理解量子糾纏在量子測量學中的角色對于設計高精度量子測量技術至關重要。在傳統的量子相位估計任務中,與非糾纏態相比,研究表明利用GHZ型糾纏態能夠有效提高測量精度,將經典散粒噪聲極限(Shot Noise Limit, SNL)提升至海森堡極限(Heisenberg Limit, HL)。這一發現不僅讓研究者認識到糾纏是實現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上理論描述的研究。然而,研究人員也發現在某些精密測量任務中,最優量子態可能為非糾纏態。因此,深入理解量子精密測量中量子優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的情況。
       
        在《Physical Review Letters》發表的相關研究工作中,研究團隊通過在獨立傳感器之間引入量子多體相互作用來實現廣義相位估計任務(見左圖)。首先,研究人員推導出了量子費舍信息(Quantum Fisher Information, QFI)在任意動力學和初始狀態下增長的普適界限。QFI作為量子計量學的核心概念,能夠用于量化參數估計的精度。通過將該界限應用于廣義相位估計任務,并運用著名的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以及局域且有能隙的哈密頓量的非簡并基態情況,QFI無法超越SNL。這一證明闡明了初態糾纏和長程相互作用在廣義相位估計任務中實現量子增強傳感的重要性,見左圖。此外,該研究還揭示了多體物理學、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中的廣泛聯系。相關研究成果3月5日以“Universal Shot-Noise Limit for Quantum Metrology with Local Hamiltonians”為題發表。精密測量院量子可積課題組組長管習文研究員的畢業博士研究生、現意大利科學院光學研究所博士后史海龍博士為文章第一作者,并于在讀博士期間完成了主要計算工作;北歐理論物理研究所研究員楊晶為通訊作者,管習文參入合作研究。
       
        在《Physical Review B》發表的相關研究工作中,研究團隊研究了部分測估計理論中的高斯態精密測量任務,這里要求在實際實驗中只允許訪問系統的一部分(見右圖)。研究團隊建立了QFI與兩體糾纏之間的確切關系,從而闡明了兩體糾纏在動力學編碼中的重要作用。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論有望在實驗可實現的腔磁系統中得到驗證。此外,研究團隊進一步證明,在弱耦合區域內,測量精度可以達到海森堡極限。在強耦合區域,量子臨界性能夠有效增強測量精度。這項工作揭示了糾纏在量子精密測量任務中的作用,同時也為臨界增強的量子精密測量研究提供了重要的啟發。該工作1月16日以“Quantum-Enhanced Metrology in Cavity Magnonics”為題以Letter形式發表,精密測量院量子可積課題組博士研究生萬青昆及畢業博士研究生史海龍為共同第一作者,史海龍和管習文為共同通訊作者。
       
        相關研究獲得國家自然科學基金項目、歐盟基金以及瑞典Wallenberg網絡與量子信息研究計劃的支持。
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