量子精密測量是量子信息科學(xué)中新發(fā)展起來的一個(gè)重要方向，旨在利用量子資源和效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測量精度。該領(lǐng)域之前一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，利用多光子糾纏態(tài)作為探針，可以實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的光相位測量。然而由于實(shí)驗(yàn)上很難制備光子數(shù)大于10的糾纏態(tài)，這種方法可以原理上演示超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的可能性，卻尚不具有實(shí)際的測量能力。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(簡稱中國科大)科研人員在量子精密測量方向取得重要進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)海森堡極限的量子精密測量，中國科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、陳耕等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種全新的量子弱測量方法，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了海森堡極限精度的單光子克爾效應(yīng)測量，可利用的光子數(shù)達(dá)到十萬個(gè)。這也是國際上首個(gè)在實(shí)際測量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作。據(jù)悉，該研究成果發(fā)表在最新一期國際權(quán)威期刊《自然通訊》上。

圖1.測量由單個(gè)光子引起的克爾效應(yīng)的試驗(yàn)裝置圖

圖2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在光子數(shù)小于十萬時(shí)測量精度反比于光子數(shù)，達(dá)到海森堡極限

量子弱測量已被廣泛應(yīng)用于各類高精密測量中。設(shè)計(jì)一種可實(shí)際應(yīng)用的并且達(dá)到海森堡極限的量子精密測量技術(shù)是學(xué)術(shù)界長期以來努力的方向。

李傳鋒研究組摒棄常規(guī)思路，對標(biāo)準(zhǔn)弱測量方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。把制備混態(tài)探針和測量虛部弱值技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)上成功地達(dá)到了海森堡極限精度。研究組在實(shí)驗(yàn)上利用了含有約十萬個(gè)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(shù)精度達(dá)到了10-10弧度，比此前經(jīng)典方法測量的最高精度提高了兩個(gè)量級。

本研究成果展現(xiàn)了量子精密測量的技術(shù)優(yōu)勢，突破了必須要利用量子糾纏等量子資源才能實(shí)現(xiàn)海森堡極限的精密測量的傳統(tǒng)觀念，為量子精密測量及量子弱測量發(fā)展提供了新的思路。