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研究動態
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物理學院蔡建明教授團隊提出突破標準量子極限的量子傳感新方法
發布時間:2021-01-14

1月6日,物理學院量子傳感與量子信息實驗室蔡建明教授團隊以“Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing”為題在《物理評論快報》(Physical Review Letters)發表研究論文,提出一種量子臨界動力學增強的量子傳感新方法。物理學院2017級博士生儲耀明為文章第一作者,2019級博士生余柏奕對本文有重要貢獻,蔡建明教授、張少良副教授為論文的通訊作者。

發展基于量子資源的量子傳感與精密測量在現實世界有著極富前景的應用,比如精確計時、引力波探測、高分辨率檢測等,如何利用量子資源突破標準量子極限測量精度則是這一領域的關鍵科學問題?;诙囿w量子糾纏的量子傳感能突破標準量子極限(測量精度正比于1/sqrt(N), N為用于測量的粒子數,如光子、原子、自旋的數目),實現海森堡極限精度的測量(測量精度正比于1/N,遠高于經典測量方法),然而在實驗上制備多粒子糾纏態常常面臨著較大的挑戰。因而,發展能達到海森堡極限測量精度且在實驗上易于實現的量子傳感新方法,便具有重要的意義。

在量子臨界點附近,體系的序參量通常具有發散的極化率,相鄰量子基態的可區分性也被明顯增強,可利用量子臨界效應實現海森堡極限精度的測量。然而,臨界點附近的量子基態高度復雜且難以直接制備,量子絕熱演化方案需要耗費大量時間,因此這一方法依然面臨極大的挑戰。

針對上述困難,物理學院蔡建明教授團隊通過設計量子體系哈密頓量特定的對易條件,發現一類相變在整個能譜發生的量子體系,進而保證體系呈現出來的量子臨界動力學效應不再依賴于量子基態。研究表明,當哈密頓量處于量子臨界點附近時,體系從任意的量子初態開始演化,都能夠展示出對待測物理參數高度敏感的量子臨界動力學行為。從而,針對待測物理參數進行測量的量子費舍信息(Quantum Fisher Information)在臨界點附近發散,相應的測量精度可以被顯著地提高。

研究團隊以量子拉比模型(Quantum Rabi Model)為例,詳細闡明了這一新型的量子臨界傳感方法的基本思想。該方法可以在離子阱、冷原子以及超導量子比特等多種量子體系中加以實現,而且可以推廣到其他量子模型,比如光參量振蕩器、Lipkin-Meshkov-Glick量子多體系統以及團隊在前期工作中發展的非厄米量子傳感探針[Phys. Rev. Lett. 124, 020501 (2020)]等。

這一工作為實現基于量子臨界現象的量子傳感,突破標準量子極限并達到海森堡極限測量精度,提供了一種新的途徑。以上研究工作得到國家自然科學基金的資助。

文章鏈接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010502

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.020501

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