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中国科大首次实验实现噪声适应的量子精密测量
( 2019-11-06 )

  中国科大郭光灿院士团队在量子相干和量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、黄运锋研究组与英国合作者在线性光学系统中实验验证了纠缠态的相干性对横向噪声的适应性,并进一步验证在横向噪声中纠缠态探针的量子测量精度仍可超越标准量子极限。该项研究成果2019年11月1日发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上。


  量子信息技术通过对量子态的操控实现信息的安全传输和存储,高效获取和运算等,然而量子系统不可避免的会与环境相互作用而引入噪声,导致量子态非常脆弱。如何抵抗噪声是目前可扩展量子信息技术的核心问题之一。主动反馈和量子纠错是很有前景的方案,但是过多的资源消耗使它们目前还难以实现。还有一种高效且方便的途径是被动噪声控制,它可以通过巧妙地利用量子态对特定噪声的适应性来实现。


  李传锋、黄运锋等人采用高效可控的线性光学系统研究了纠缠态的量子相干性和精密测量对横向噪声(噪声和探针工作方向相垂直)的适应性。研究组首先验证了四光子GHZ纠缠态在横向噪声下相干性的冻结现象,同时还观测到GHZ纠缠态在噪声中演化时量子Fisher信息量也保持不变,这意味着将其应用于参数估计时测量精度将不会随噪声增加而衰减。研究组进一步考虑更实际的情况,将噪声与信号同时作用在探针上,结果表明即使噪声强度与信号相同,实验中制备出的多光子GHZ纠缠态探针在光子数达到6时仍可超越标准量子极限(经典物理系统所能达到的极限),展示了噪声适应的量子精密测量方案的优越性。当然实验结果也证实在噪声平行的情况下,GHZ纠缠态探针将不会展现任何量子优势。


  该项工作展示了被动噪声控制的可行性,在抗噪声量子精密测量的研究中迈出重要一步,有助于设计出更高效的抗噪声方案。


  论文的第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员张超博士。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的的支持。


噪声适应的量子精密测量实验装置图和实验结果图。结果展示测量精度超越了标准量子极限(SQL)。


  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.180504


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