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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在多參數(shù)量子精密測量研究中取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、項(xiàng)國勇研究組與香港中文大學(xué)袁海東教授在量子精密測量實(shí)驗(yàn)中，完全消除了量子比特演化過程中三個(gè)待測參數(shù)之間的精度制衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)參數(shù)達(dá)到海森堡極限精度的測量，測量精度比經(jīng)典方法提高了13.27dB。該研究成果2021年1月1日在線發(fā)表在國際知名期刊《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）上。

單參數(shù)量子精密測量是量子精密測量中最簡單的問題，近三十年有了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，甚至在引力波探測等問題中有了重要應(yīng)用。但是實(shí)際測量情形通常包含了多個(gè)參數(shù)，例如磁力儀、量子陀螺儀、量子成像等。多參數(shù)量子精密測量比單參數(shù)測量要復(fù)雜很多，因?yàn)槊總€(gè)參數(shù)的最優(yōu)測量方案一般不兼容，參數(shù)之間存在精度制衡。如何減少參數(shù)之間的精度制衡以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)最優(yōu)測量，是多參數(shù)量子精密測量的最重要問題之一。

項(xiàng)國勇等人近年來著力解決多參數(shù)量子精密測量中的精度制衡問題，首先在實(shí)驗(yàn)上發(fā)展了集體測量技術(shù)，減小了量子態(tài)測量和量子定向中的精度制衡[Nat. Commun. 9,1(2018); PRL 124,060502(2020)]問題；其次徹底優(yōu)化了量子糾纏探針態(tài)，獲得了磁場矢量測量的最小精度制衡[PRL 125,020501(2020)]。雖然上述多參數(shù)測量問題中的精度制衡減小了，但是精度制衡依然存在。為了完全消除參數(shù)之間的精度制衡，項(xiàng)國勇等人在本工作中將單參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)中的控制增強(qiáng)的次序測量技術(shù)[PRL 123,040501(2019)]進(jìn)一步發(fā)展到多參數(shù)測量中，通過調(diào)控量子系統(tǒng)動力學(xué)演化，完全解決了量子比特幺正演化算法中三個(gè)參數(shù)之間的精度制衡問題，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)參數(shù)同時(shí)達(dá)到海森堡極限的最優(yōu)測量，精度比經(jīng)典方法提高了13.27dB。

量子比特幺正演化算符的三個(gè)參數(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測量的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該工作中，項(xiàng)國勇等人成功把多參數(shù)量子精密測量和海森堡不確定性關(guān)系結(jié)合起來，揭示了多個(gè)參數(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)測量的物理本質(zhì)是多個(gè)不確定性關(guān)系能夠同時(shí)達(dá)到，這對量子精密測量和不確定性關(guān)系兩個(gè)領(lǐng)域的交叉發(fā)展具有重要意義。此外，該工作測量的量子比特幺正演化算符用于描述三維磁場矢量測量和陀螺儀等眾多實(shí)際多參數(shù)測量問題的演化過程，因此在這些實(shí)際測量問題中具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員侯志博和博士研究生唐俊峰為論文共同第一作者，通訊作者為我校項(xiàng)國勇教授和香港中文大學(xué)袁海東教授。該項(xiàng)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）