我國科學家在國際上首次實現海森堡極限的量子精密測量【圖】

    量子精密測量是量子信息科學中新發(fā)展起來的一個重要方向，旨在利用量子資源和效應實現超越經典方法的測量精度。該領域之前一個重要發(fā)現是，利用多光子糾纏態(tài)作為探針，可以實現海森堡極限精度的光相位測量。在這種情況下測量精度可以反比于探針所含的光子數N，而經典的測量方法精度只能反比于根號下N，也就是通常說的標準量子極限。由于實驗上很難制備光子數大于10的糾纏態(tài)，這種方法尚不具有實際的測量能力。設計一種可實際應用的并且達到海森堡極限的量子精密測量技術是學術界長期以來努力的方向。

    在國家重點研發(fā)計劃量子調控與量子信息重點專項的支持下，中國科學技術大學李傳鋒課題組摒棄常規(guī)思路，創(chuàng)新性地對標準弱測量方案進行重新設計，把制備混態(tài)探針和測量虛部弱值技術相結合，實驗上成功達到了海森堡極限精度，并用來測量單個光子在商用光子晶體光纖中引起的克爾效應。這種方法所用探針來源于常規(guī)的激光脈沖，從而擺脫了光子數N的限制。研究組在實驗上利用了含有約十萬個光子的激光脈沖，測量商用光子晶體光纖的單光子克爾系數精度達到了10-10弧度，比此前經典方法測量的最高精度提高了兩個量級。這是國際上首個在實際測量任務中達到海森堡極限精度的工作。研究成果2018年1月8日發(fā)表在國際權威期刊《自然·通訊》上。

    圖1）測量由單個光子引起的克爾效應的實驗裝置圖

    圖2）實驗結果。在光子數小于十萬時測量精度反比于光子數，達到海森堡極限。