中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在量子精密測量方向取得進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、陳耕等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)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，這是國際上首個(gè)在實(shí)際測量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作，可利用的光子數(shù)達(dá)到十萬個(gè)。相關(guān)研究成果1月8日發(fā)表在《自然-通訊》上。

　　量子精密測量是量子信息科學(xué)中新發(fā)展起來的重要方向之一，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)域之前的重要發(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。在這種情況下，測量精度可以反比于探針?biāo)墓庾訑?shù)N，而經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)量子極限。原則上來說，在N很大的時(shí)候，海森堡極限的測量精度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)典測量方法。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。物理學(xué)家Aharonov等1988年提出量子弱測量概念，被廣泛應(yīng)用于各類高精密測量中。最近研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的弱測量可用來放大微弱信號，但并不具有本質(zhì)提高測量精度的能力，其測量精度被限制在標(biāo)準(zhǔn)量子極限的范圍內(nèi)。總之，設(shè)計(jì)一種可實(shí)際應(yīng)用的并達(dá)到海森堡極限的量子精密測量技術(shù)是學(xué)術(shù)界長期以來的努力方向。

　　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)上成功達(dá)到海森堡極限精度，并用來測量單個(gè)光子在商用光子晶體光纖中引起的克爾效應(yīng)。這種方法無需利用糾纏等量子資源，所用探針來源于常規(guī)的激光脈沖，從而擺脫了光子數(shù)N的限制。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。

　　該研究成果展現(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)展提供了新思路。實(shí)驗(yàn)中光子的利用率約為16%(即測量精度約為1/0.16N)，如何提高光子利用率將是研究組進(jìn)一步探索的問題。研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。