中国科大首次实现海森堡极限的量子精密测量

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室，在量子精密测量方向取得进展，该实验室李传锋、陈耕等设计并实现一种全新的量子弱测量方法，实验上实现了海森堡极限精度的单光子克尔效应测量，这是国际上首个在实际测量任务中达到海森堡极限精度的工作，可利用的光子数达到十万个。相关研究成果1月8日发表在《自然-通讯》上。

量子精密测量是量子信息科学中新发展起来的重要方向之一，旨在利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度。该领域之前的重要发现是，利用多光子纠缠态作为探针，可以实现海森堡极限精度的光相位测量。在这种情况下，测量精度可以反比于探针所含的光子数N，而经典的测量方法精度只能反比于根号下N，也就是通常说的标准量子极限。原则上来说，在N很大的时候，海森堡极限的测量精度可以远远高于经典测量方法。然而，由于实验上很难制备光子数大于10的纠缠态，这种方法可以原理上演示超越标准量子极限的可能性，却尚不具有实际的测量能力。物理学家Aharonov等1988年提出量子弱测量概念，被广泛应用于各类高精密测量中。最近研究发现，标准的弱测量可用来放大微弱信号，但并不具有本质提高测量精度的能力，其测量精度被限制在标准量子极限的范围内。总之，设计一种可实际应用的并达到海森堡极限的量子精密测量技术是学术界长期以来的努力方向。

李传锋研究组摒弃常规思路，对标准弱测量方案进行重新设计。把制备混态探针和测量虚部弱值技术相结合，实验上成功达到海森堡极限精度，并用来测量单个光子在商用光子晶体光纤中引起的克尔效应。这种方法无需利用纠缠等量子资源，所用探针来源于常规的激光脉冲，从而摆脱了光子数N的限制。研究组在实验上利用了含有约十万个光子的激光脉冲，测量商用光子晶体光纤的单光子克尔系数精度达到10-10弧度，比此前经典方法测量的最高精度提高了两个量级。

该研究成果展现了量子精密测量的技术优势，突破了必须要利用量子纠缠等量子资源才能实现海森堡极限的精密测量的传统观念，为量子精密测量及量子弱测量发展提供了新思路。实验中光子的利用率约为16%（即测量精度约为1/0.16N），如何提高光子利用率将是研究组进一步探索的问题。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

图1.测量由单个光子引起的克尔效应的实验装置图

图2.实验结果。在光子数小于十万时测量精度反比于光子数，达到海森堡极限。