來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)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(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)分布式量子相位估計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這為將來(lái)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(shí)執(zhí)行遠(yuǎn)程空間多個(gè)節(jié)點(diǎn)上精密測(cè)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(jī)等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布的有效監(jiān)測(cè)。

隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也邁進(jìn)了量子化時(shí)代。量子網(wǎng)絡(luò)作為量子信息和量子計(jì)算的重要組成，在執(zhí)行各類遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)任務(wù)中起著重要作用。當(dāng)對(duì)多個(gè)空間分布的參量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，分布式量子傳感能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典統(tǒng)計(jì)極限的測(cè)量精度。

然而，分布式量子傳感面對(duì)著一個(gè)重要問(wèn)題：如何選擇并制備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)參量最優(yōu)的測(cè)量精度的量子糾纏態(tài)呢？

研究表明，對(duì)于某類分布式的最大糾纏態(tài)，理論上能夠達(dá)到最優(yōu)測(cè)量精度，即海森堡極限。

針對(duì)這一重要問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了最優(yōu)的測(cè)量方案，基于多光子量子糾纏，通過(guò)操縱六光子干涉儀，實(shí)驗(yàn)演示了多個(gè)獨(dú)立的相移及其平均值測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用分布式糾纏態(tài)進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置圖

同時(shí)，基于光子糾纏和相干性組合的方案，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)演示了多個(gè)空間相移的線性組合測(cè)量（參數(shù)數(shù)量總個(gè)數(shù)達(dá)到 21 個(gè)），與僅利用粒子糾纏的方案進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，該組合式方案不僅能夠增加可測(cè)量參數(shù)數(shù)量，還能提高測(cè)量精度。

基于這一實(shí)驗(yàn)顯示，此項(xiàng)工作成功實(shí)現(xiàn)了多參量分布式量子傳感的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)估了不同糾纏結(jié)構(gòu)情況下的測(cè)量精度，驗(yàn)證了糾纏結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度的增強(qiáng)效果，擴(kuò)展了資源利用率和可測(cè)量的參量數(shù)量，朝分布式量子傳感的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步。

據(jù)悉，該成果于 11 月 30 日在國(guó)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(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，稱贊這是一項(xiàng) “重要的里程碑工作”。

除此之外，該工作得到科技部、國(guó)家基金委、中科院和安徽省等資助。

附：中國(guó)科大達(dá)海到森堡極限的量子精密測(cè)量成果（截至目前）

1. 量子弱測(cè)量方法 -- 單光子克爾效應(yīng)測(cè)量。國(guó)際上首個(gè)在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作，中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)海森堡極限的量子精密測(cè)量。研究成果 2018 年 1 月 8 日在《自然 · 通訊》上發(fā)表。

（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02487-z）

2. 量子弱測(cè)量方法的優(yōu)化。把單光子克爾效應(yīng)測(cè)量精度再次提升接近一個(gè)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)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(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506）

3. 一般非對(duì)易信道參數(shù)測(cè)量。在一般非對(duì)易信道參數(shù)測(cè)量中，通過(guò)量子控制主動(dòng)調(diào)控非對(duì)易的量子信道。研究成果于 2019 年 7 月 26 日在《物理評(píng)論快報(bào)》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(cè)量。可快速檢驗(yàn)出實(shí)際制備的多體糾纏態(tài)相對(duì)于目標(biāo)糾纏態(tài)的保真度，測(cè)量精度達(dá)到海森堡極限，更重要的是該方法所需測(cè)試樣本數(shù)不會(huì)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(píng)論快報(bào)》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(cè)量。中國(guó)科大在基于單光子源的量子精密測(cè)量方面取得重要進(jìn)展，研究成果以 “編輯推薦”形式于 2020 年近日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)會(huì) 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(duì)該工作做了高亮報(bào)道。

（論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601）

6. 分布式量子精密測(cè)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：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2）

責(zé)任編輯：PSY