中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等人與香港大學(xué)同行合作，利用量子不確定因果序?qū)崿F(xiàn)了超越海森堡極限精度的量子精密測(cè)量。研究成果于5月1日以“Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然·物理》上。

量子精密測(cè)量致力于把量子力學(xué)原理運(yùn)用到各種測(cè)量任務(wù)中以實(shí)現(xiàn)超過(guò)經(jīng)典極限的測(cè)量精度。海森堡極限被認(rèn)為是利用量子方法和資源所能達(dá)到的最終極限。之前國(guó)際上曾有一些工作聲稱超越了海森堡極限，然而這些工作利用了非線性效應(yīng)或者包含了含時(shí)的哈密頓量，引起了廣泛討論，最終被理論上證明在以能量等作為規(guī)范化資源定義的前提下仍然會(huì)遵循海森堡極限。

圖1：量子不確定因果序的示意圖。藍(lán)色和紅色路線經(jīng)過(guò)兩個(gè)門的時(shí)序不同且處于量子疊加態(tài)。

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界提出一種新的量子結(jié)構(gòu)，即量子不確定因果序。量子力學(xué)的疊加原理不僅允許不同量子本征態(tài)之間的疊加，也允許兩個(gè)事件處于兩個(gè)相反時(shí)序的量子疊加上（如圖1所示）。這樣一種新型的量子資源已經(jīng)被證實(shí)可以在特定的量子計(jì)算和量子通信任務(wù)中提供優(yōu)勢(shì)，然而此前工作都是基于離散變量體系，未能直接應(yīng)用于量子精密測(cè)量任務(wù)中。

李傳鋒、陳耕等人設(shè)計(jì)了一種全新的雜化（hybrid）量子裝置，即用一個(gè)離散量子比特控制光子兩組連續(xù)變量的演化時(shí)序，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了不確定因果序，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)演化產(chǎn)生的幾何相位的超海森堡極限的精密測(cè)量，即測(cè)量的不確定度δＡ反比于獨(dú)立演化過(guò)程的次數(shù)N的平方（δＡ∝1/N2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新方法在實(shí)驗(yàn)演示的范圍內(nèi)獲得了對(duì)確定因果序方法理論上的最高測(cè)量精度，即海森堡極限（δＡ∝1/N，圖2中的藍(lán)色虛線）的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果逼近了理論上的超海森堡極限（圖2中的紅色實(shí)線）。

該實(shí)驗(yàn)使用單個(gè)光子作為探針，不存在光子間的相互作用，且單次測(cè)量所需要的能量不超過(guò)單個(gè)光子的能量，從而實(shí)現(xiàn)了首個(gè)在規(guī)范化資源定義下超越海森堡極限的實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的相對(duì)于確定因果序方法的提升可以直接轉(zhuǎn)化為在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)。

圖2：實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度。黑色方點(diǎn)為N個(gè)獨(dú)立演化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度，紅色實(shí)線為不確定因果序方法的超海森堡極限（δＡ=1/N2），藍(lán)色虛線為確定因果序方法的最高精度，即海森堡極限（δＡ=1/N）。

該實(shí)驗(yàn)對(duì)不確定因果序和量子精密測(cè)量的理解均帶來(lái)了重要影響。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)博士研究生殷鵬、香港大學(xué)博士生趙曉斌為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-023-02046-y

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/82884.htm

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