12月1日消息(余予)來自中國科大的消息顯示,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等利用多光子量子糾纏在國際上首次實現(xiàn)分布式量子相位估計的實驗驗證,這為將來構(gòu)建基于量子網(wǎng)絡(luò)的高精度量子傳感奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)了解,分布式傳感是一種可用于同時執(zhí)行遠程空間多個節(jié)點上精密測量任務(wù)的重要手段,在日常生活、科學(xué)研究和工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,例如橋梁、飛機等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布和溫度場分布的有效監(jiān)測。
隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展,傳感技術(shù)也邁進了量子化時代。量子網(wǎng)絡(luò)作為量子信息和量子計算的重要組成,在執(zhí)行各類遠程多節(jié)點任務(wù)中起著重要作用。當(dāng)對多個空間分布的參量進行測量時,分布式量子傳感能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典統(tǒng)計極限的測量精度。
然而,分布式量子傳感面對著一個重要問題:如何選擇并制備能夠?qū)崿F(xiàn)對多個參量最優(yōu)的測量精度的量子糾纏態(tài)呢?
研究表明,對于某類分布式的最大糾纏態(tài),理論上能夠達到最優(yōu)測量精度,即海森堡極限。
針對這一重要問題,研究團隊設(shè)計了最優(yōu)的測量方案,基于多光子量子糾纏,通過操縱六光子干涉儀,實驗演示了多個獨立的相移及其平均值測量。實驗結(jié)果顯示,利用分布式糾纏態(tài)進行測量,其精度可以超越經(jīng)典傳感器的理論極限。
分布式量子傳感實驗裝置圖
同時,基于光子糾纏和相干性組合的方案,研究團隊還進一步實驗演示了多個空間相移的線性組合測量(參數(shù)數(shù)量總個數(shù)達到21個),與僅利用粒子糾纏的方案進行對比。結(jié)果顯示,該組合式方案不僅能夠增加可測量參數(shù)數(shù)量,還能提高測量精度。
基于這一實驗顯示,此項工作成功實現(xiàn)了多參量分布式量子傳感的原理性實驗驗證,評估了不同糾纏結(jié)構(gòu)情況下的測量精度,驗證了糾纏結(jié)構(gòu)對測量精度的增強效果,擴展了資源利用率和可測量的參量數(shù)量,朝分布式量子傳感的實際應(yīng)用邁出了重要一步。
據(jù)悉,該成果于11月30日在國際學(xué)術(shù)知名期刊《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表,審稿人對該工作給予高度評價,稱贊這是一項“重要的里程碑工作”。
除此之外,該工作得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省等資助。
附:中國科大達海到森堡極限的量子精密測量成果(截至目前)
1.量子弱測量方法--單光子克爾效應(yīng)測量。國際上首個在實際測量任務(wù)中達到海森堡極限精度的工作,中國科大首次實現(xiàn)海森堡極限的量子精密測量。研究成果2018年1月8日在《自然·通訊》上發(fā)表。
(論文鏈接:http://ygpos.cn/uploadfile/2020/1201/20201201151024353G 量子弱測量方法的優(yōu)化。把單光子克爾效應(yīng)測量精度再次提升接近一個量級,實驗結(jié)果首次逼近了最優(yōu)海森堡極限。研究成果于2018年8月8日在《物理評論快報》上發(fā)表。
(論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506)
3. 一般非對易信道參數(shù)測量。在一般非對易信道參數(shù)測量中,通過量子控制主動調(diào)控非對易的量子信道。研究成果于2019年7月26日在《物理評論快報》上發(fā)表。
(論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501)
4. 糾纏態(tài)測量。可快速檢驗出實際制備的多體糾纏態(tài)相對于目標(biāo)糾纏態(tài)的保真度,測量精度達到海森堡極限,更重要的是該方法所需測試樣本數(shù)不會隨著糾纏態(tài)規(guī)模增大而增加。研究成果于2020年7月17日在《物理評論快報》上發(fā)表。
(論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506)
5. 單光子源量子精密測量。中國科大在基于單光子源的量子精密測量方面取得重要進展,研究成果以“編輯推薦”形式于2020年近日在《物理評論快報》上發(fā)表。同時,美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站以“面向完美的單光子源”(Toward a Perfect Single-Photon Source)為題專門對該工作做了高亮報道。
(論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601
美國物理學(xué)會報道:https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.s127
歐盟計量研究項目“量子坎德拉”:http://www.quantumcandela.org/project.html)
6. 分布式量子精密測量。該成果于11月30日在《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表。
(論文鏈接:http://ygpos.cn/uploadfile/2020/1201/20201201151031354G
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