基于多體量子糾纏的量子感測實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度測量

量子科學(xué)與技術(shù)是21世紀(jì)的重要研究領(lǐng)域，引領(lǐng)著材料科學(xué)與信息技術(shù)的巨大變革。

作為量子信息領(lǐng)域的重要研究方向之一，量子感測和精密測量在現(xiàn)實(shí)世界中具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

如何利用量子資源突破標(biāo)準(zhǔn)的量子極限測量精度是該研究方向上的關(guān)鍵科學(xué)問題。

據(jù)了解，基于多體量子糾纏的量子感測可以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的測量。

然而，實(shí)驗(yàn)制備多粒子糾纏態(tài)通常面臨更大的挑戰(zhàn)。

因此，開發(fā)一種能夠達(dá)到海森堡極限測量精度且易于實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的新型量子傳感方法具有重要意義。

最近，華中科技大學(xué)物理學(xué)院量子傳感與量子信息實(shí)驗(yàn)室的蔡建明教授的團(tuán)隊(duì)提出了一種新的具有增強(qiáng)的量子臨界動(dòng)力學(xué)的量子傳感方法。

該方法旨在實(shí)現(xiàn)基于量子臨界現(xiàn)象的量子感測并突破標(biāo)準(zhǔn)的量子極限。

并達(dá)到海森堡極限測量精度，提供了一種新的方法。

在量子臨界點(diǎn)附近，系統(tǒng)的階躍參數(shù)通常具有發(fā)散的極化率，并且相鄰量子基態(tài)的可分辨性也得到顯著提高。

量子臨界效應(yīng)可用于實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的測量。

然而，這種方法面臨著巨大的挑戰(zhàn)：臨界點(diǎn)附近的量子基態(tài)非常復(fù)雜，難以直接制備，并且量子絕熱演化方案要花費(fèi)大量時(shí)間。

針對上述困難，研究團(tuán)隊(duì)為量子系統(tǒng)的哈密頓量設(shè)計(jì)了特定的換向條件，以確保系統(tǒng)呈現(xiàn)的量子臨界動(dòng)力效應(yīng)不再取決于量子基態(tài)。

研究結(jié)果表明，當(dāng)哈密頓量接近量子臨界點(diǎn)時(shí)，該系統(tǒng)從任何量子初始狀態(tài)演化而來，并且可以表現(xiàn)出對要測量的物理參數(shù)高度敏感的量子臨界動(dòng)力學(xué)。

因此，針對要測量的物理參數(shù)而測量的Quantum Fisher信息（QuantumFisherInformation）在臨界點(diǎn)附近發(fā)散，并且可以顯著提高相應(yīng)的測量精度。

此外，研究團(tuán)隊(duì)以量子拉比模型為例來闡明這種新型量子臨界傳感方法的基本思想。

該方法可以在各種量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，例如離子阱，冷原子和超導(dǎo)量子位，并且可以擴(kuò)展到其他量子模型，例如光學(xué)參量振蕩器，Lipkin-Meshkov-Glick量子多體系統(tǒng)和該團(tuán)隊(duì)在工作中開發(fā)了早期的非Hermitian量子感測探針。

以上研究工作由國家自然科學(xué)基金資助。