精密测量院等联合在量子精密测量的理论研究方面取得系列新进展

　　近日，精密测量院量子可积系统研究组组长管习文研究员，联合意大利科学院光学研究所博士后史海龙博士，北欧理论物理研究所杨晶研究员，在量子精密测量的理论研究方面取得系列新进展。相关研究工作分别发表在物理学领域顶级期刊《Physical Review Letters》和该领域颇具影响的专业期刊《Physical Review B》上。
 

　　左图: 在广义相位估计任务中，局域相互作用和长程相互作用对相位估计精度产生实质性影响。对于非纠缠初态而言，即便利用局域的多体相互作用哈密顿量来编码参数，也难以使测量精度超越散粒噪声极限。这表明，要实现参数估计的海森堡测量精度，长程相互作用以及初态纠缠是重要的量子资源。更多相关信息可参考《Physical Review Letters》的相关文章
 

　　右图：在光腔中放置三维铱铁氧体(YIG)晶体，(a)其产生的磁振子可感知弱磁场B。通过磁振子与光子动力学耦合，可将待估计参量B的信息传递给光子。(b)在可实现的实验条件下，通过测量光子态的演化，实现对磁场的高精度估计(被称为部分估计理论)。(c)利用单模光子压缩态，在弱耦合区域可将弱磁场B的测量精度提升至光子数的海森堡极限。在强耦合区可以实现临界增强的量子精密测量，更多相关信息请参阅《Physical Review B》快报Letter文章
 

　　量子纠缠在量子信息处理领域具有重要价值。深入理解量子纠缠在量子测量学中的角色对于设计高精度量子测量技术至关重要。在传统的量子相位估计任务中，与非纠缠态相比，研究表明利用GHZ型纠缠态能够有效提高测量精度，将经典散粒噪声极限(Shot Noise Limit, SNL)提升至海森堡极限(Heisenberg Limit, HL)。这一发现不仅让研究者认识到纠缠是实现高精度量子测量的重要资源，同时也推动了对量子多体纠缠在度量学上理论描述的研究。然而，研究人员也发现在某些精密测量任务中，最优量子态可能为非纠缠态。因此，深入理解量子精密测量中量子优势的来源是一项迫切需要解答的理论问题，尤其是针对超越量子相位估计任务的情况。
 

　　在《Physical Review Letters》发表的相关研究工作中，研究团队通过在独立传感器之间引入量子多体相互作用来实现广义相位估计任务(见左图)。首先，研究人员推导出了量子费舍信息(Quantum Fisher Information, QFI)在任意动力学和初始状态下增长的普适界限。QFI作为量子计量学的核心概念，能够用于量化参数估计的精度。通过将该界限应用于广义相位估计任务，并运用著名的Lieb-Robinson界限处理具有局域短程相互作用的情形，证明了对于非纠缠初态以及局域且有能隙的哈密顿量的非简并基态情况，QFI无法超越SNL。这一证明阐明了初态纠缠和长程相互作用在广义相位估计任务中实现量子增强传感的重要性，见左图。此外，该研究还揭示了多体物理学、量子控制理论、量子混沌、算符增长以及量子混沌在量子计量学中的广泛联系。相关研究成果3月5日以“Universal Shot-Noise Limit for Quantum Metrology with Local Hamiltonians”为题发表。精密测量院量子可积课题组组长管习文研究员的毕业博士研究生、现意大利科学院光学研究所博士后史海龙博士为文章第一作者，并于在读博士期间完成了主要计算工作；北欧理论物理研究所研究员杨晶为通讯作者，管习文参入合作研究。
 

　　在《Physical Review B》发表的相关研究工作中，研究团队研究了部分测估计理论中的高斯态精密测量任务，这里要求在实际实验中只允许访问系统的一部分(见右图)。研究团队建立了QFI与两体纠缠之间的确切关系，从而阐明了两体纠缠在动力学编码中的重要作用。然而，在测量过程中存在的两体纠缠会显著地降低了最终的测量精度。该研究阐述了这些结论有望在实验可实现的腔磁系统中得到验证。此外，研究团队进一步证明，在弱耦合区域内，测量精度可以达到海森堡极限。在强耦合区域，量子临界性能够有效增强测量精度。这项工作揭示了纠缠在量子精密测量任务中的作用，同时也为临界增强的量子精密测量研究提供了重要的启发。该工作1月16日以“Quantum-Enhanced Metrology in Cavity Magnonics”为题以Letter形式发表，精密测量院量子可积课题组博士研究生万青昆及毕业博士研究生史海龙为共同第一作者，史海龙和管习文为共同通讯作者。
 

　　相关研究获得国家自然科学基金项目、欧盟基金以及瑞典Wallenberg网络与量子信息研究计划的支持。