华中科大提出量子传感新方法 为达到海森堡极限测量精度提供可能

C114讯 1月14日消息(余予)量子科学与技术是二十一世纪的重要研究领域,引领着物质科学和信息技术的巨大变革。量子传感与精密测量作为量子信息领域的重点研究方向之一,在现实世界有着极富前景的应用。如何利用量子资源突破标准量子极限测量精度是这一研究方向的关键科学问题。

据了解,基于多体量子纠缠的量子传感能突破标准量子极限,实现海森堡极限精度的测量,然而在实验上制备多粒子纠缠态常常面临着较大的挑战。因此,发展出能达到海森堡极限测量精度且在实验上易于实现的量子传感新方法,具有重要的意义。

近日,华中科大物理学院量子传感与量子信息实验室蔡建明教授团队提出一种量子临界动力学增强的量子传感新方法,该方法为实现基于量子临界现象的量子传感,突破标准量子极限并达到海森堡极限测量精度,提供了一种新的途径。

在量子临界点附近,体系的序参量通常具有发散的极化率,相邻量子基态的可区分性也被明显增强,可利用量子临界效应实现海森堡极限精度的测量。然而,该方法面临极大挑战:临界点附近的量子基态高度复杂且难以直接制备,量子绝热演化方案需要耗费大量时间。


图片来源:华中科大物理学院

针对上述困难,研究团队通过设计量子体系哈密顿量特定的对易条件,进而保证体系呈现出来的量子临界动力学效应不再依赖于量子基态。

研究结果表明,当哈密顿量处于量子临界点附近时,体系从任意的量子初态开始演化,都能够展示出对待测物理参数高度敏感的量子临界动力学行为。从而,针对待测物理参数进行测量的量子费舍信息(Quantum Fisher Information)在临界点附近发散,相应的测量精度可以被显著地提高。


图片来源:华中科大物理学院

除此之外,研究团队以量子拉比模型(Quantum Rabi Model)为例,详细阐明了这一新型的量子临界传感方法的基本思想。该方法可以在离子阱、冷原子以及超导量子比特等多种量子体系中加以实现,而且可以推广到其他量子模型,比如光参量振荡器、Lipkin-Meshkov-Glick量子多体系统以及团队在前期工作中发展的非厄米量子传感探针等。

以上研究工作得到国家自然科学基金的资助。

该研究成果《Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing》于2021年1月6日在《物理评论快报》上发表,物理学院2017级博士生储耀明为文章第一作者,2019级博士生余柏奕对本文有重要贡献,蔡建明教授、张少良副教授为论文的通讯作者。 华中科大提出量子传感新方法 为达到海森堡极限测量精度提供可能