來源 | 中國科技大學
中國科技大學郭光燦院士團隊再創量子精密測量領域最高測量精度，該團隊李傳鋒、陳耕等人與南京大學合作者優化量子弱測量的測量方法，把單光子克爾效應測量精度再次提升接近一個量級，實驗結果首次逼近了最優海森堡極限。該研究成果8月8日發表在國際權威期刊《物理評論快報》上。
利用有限的資源實現更高的測量精度是科學發展的重要需求，量子精密測量是近年來在此需求驅動下興起的量子信息領域的新方向。量子精密測量的重要目標是使測量精度反比於單次測量所使用的光子或原子等的數目n，即達到海森堡極限精度。而經典測量方法的精度只能達到反比於根號下n，即所謂的標準量子極限。顯然，當n較大時量子精密測量的精度將遠優於經典測量方法的精度。已有量子精密測量方法普遍需要利用糾纏態或壓縮態等量子資源，受限於現有技術，而且這些方法尚不具備實用性。李傳鋒研究組在此前工作中獨闢蹊徑，將混態探針和虛部弱測量技術相結合，實現了海森堡極限精度的單光子克爾效應測量，當時探針光子的利用率為16%[Nature Communications 9, 93 (2018)]。在本工作中，研究組進一步優化測量方法，對單光子進行投影測量以提取更多的信息，從而把探針光子的利用率提升到83%（即測量精度約為1.2/n），首次逼近了最優海森堡極限（1/n）。實驗上測得的單光子克爾效應強度約為6E-8弧度，測量精度與該研究組上一個實驗相比提升近一個量級，達到了9.5E-11弧度。測量裝置也變得更加簡單，用普通的激光脈衝即可完成實驗。
本成果展現了量子精密測量在實際測量任務中的優越性，為量子精密測量及量子弱測量發展提供了新的思路。本實驗考慮的是單光子克爾效應這一特定任務，如何把這種高效的實驗方法推廣到各種重要的實際應用場景將是研究組進一步探索的問題。
文章第一作者為陳耕副研究員。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。
圖1.測量單光子克爾效應的實驗裝置圖
圖2.測量精度隨著光子數n的改變呈現出1.2/n的反比關係
文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506
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