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量子精密測量的理論研究取得系列新進展！
2024年03月12日 13:38:32
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：11698
近日，精密測量院量子可積系統(tǒng)研究組組長管習文研究員，聯(lián)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。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】量子糾纏是一種奇怪的量子力學現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯(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)生相應改變。愛因斯坦稱這一糾纏現(xiàn)象為“遠距離的幽靈行動”，它是量子物理學的一個基本組成部分。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。
近日，精密測量院量子可積系統(tǒng)研究組組長管習文研究員，聯(lián)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。
在傳統(tǒng)的量子相位估計任務中，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)不僅讓研究團隊認識到糾纏是實現(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的情況。
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(xiàn)廣義相位估計任務。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(tài)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(shù)估計的精度。并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(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中實現(xiàn)量子增強傳感的重要性。并且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(lián)系。
此外，在《Physical Review B》發(fā)表的相關研究工作中，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(xiàn)的腔磁系統(tǒng)中得到驗證。
同時，研究團隊進一步證明，在弱耦合區(qū)域內(nèi)，測量精度可以達到海森堡極限。在強耦合區(qū)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(fā)。
相關研究工作分別發(fā)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(yè)期刊《Physical Review B》上。
(資料來源：中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院)
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