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中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)達(dá)到海森堡極限的量子精密測(cè)量 單參數(shù)量子精密測(cè)量是量子精密測(cè)量中最簡(jiǎn)單的問(wèn)題，近三十年有了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，甚至在引力波探測(cè)等問(wèn)題中有了重要應(yīng)用。但是實(shí)際測(cè)量情形通常包含了多個(gè)參數(shù)，例如磁力儀、量子陀螺儀、量子成像等。多參數(shù)量子精密測(cè)量比單參數(shù)測(cè)量要復(fù)雜很多，因?yàn)槊總�(gè)參數(shù)的最優(yōu)測(cè)量方案一般不兼容，參數(shù)之間存在精度制衡。如何減少參數(shù)之間的精度制衡以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)最優(yōu)測(cè)量，是多參數(shù)量子精密測(cè)量的最重要問(wèn)題之一。 項(xiàng)國(guó)勇等人近年來(lái)著力解決多參數(shù)量子精密測(cè)量中的精度制衡問(wèn)題，首先在實(shí)驗(yàn)上發(fā)展了集體測(cè)量技術(shù)，減小了量子態(tài)測(cè)量和量子定向中的精度制衡[Nat. Commun. 9,1(2018); PRL 124,060502(2020)]問(wèn)題；其次徹底優(yōu)化了量子糾纏探針態(tài)，獲得了磁場(chǎng)矢量測(cè)量的最小精度制衡[PRL 125,020501(2020)]。雖然上述多參數(shù)測(cè)量問(wèn)題中的精度制衡減小了，但是精度制衡依然存在。為了完全消除參數(shù)之間的精度制衡，項(xiàng)國(guó)勇等人在本工作中將單參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的控制增強(qiáng)的次序測(cè)量技術(shù)[PRL 123,040501(2019)]進(jìn)一步發(fā)展到多參數(shù)測(cè)量中，通過(guò)調(diào)控量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)演化，完全解決了量子比特幺正演化算法中三個(gè)參數(shù)之間的精度制衡問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)參數(shù)同時(shí)達(dá)到海森堡極限的最優(yōu)測(cè)量，精度比經(jīng)典方法提高了13.27dB。  量子比特幺正演化算符的三個(gè)參數(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 該工作中，項(xiàng)國(guó)勇等人成功把多參數(shù)量子精密測(cè)量和海森堡不確定性關(guān)系結(jié)合起來(lái)，揭示了多個(gè)參數(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測(cè)量的物理本質(zhì)是多個(gè)不確定性關(guān)系能夠同時(shí)達(dá)到，這對(duì)量子精密測(cè)量和不確定性關(guān)系兩個(gè)領(lǐng)域的交叉發(fā)展具有重要意義。此外，該工作測(cè)量的量子比特幺正演化算符用于描述三維磁場(chǎng)矢量測(cè)量和陀螺儀等眾多實(shí)際多參數(shù)測(cè)量問(wèn)題的演化過(guò)程，因此在這些實(shí)際測(cè)量問(wèn)題中具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。 中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員侯志博和博士研究生唐俊峰為論文共同第一作者，通訊作者為我校項(xiàng)國(guó)勇教授和香港中文大學(xué)袁海東教授。該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。 論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986 |
