量子精密測(cè)量是量子信息科學(xué)中新發(fā)展起來的一個(gè)重要方向，旨在利用量子資源和效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測(cè)量精度。該領(lǐng)域之前一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，利用多光子糾纏態(tài)作為探針，可以實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的光相位測(cè)量。在這種情況下測(cè)量精度可以反比于探針?biāo)墓庾訑?shù)N，而經(jīng)典的測(cè)量方法精度只能反比于根號(hào)下N，也就是通常說的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。由于實(shí)驗(yàn)上很難制備光子數(shù)大于10的糾纏態(tài)，這種方法尚不具有實(shí)際的測(cè)量能力。設(shè)計(jì)一種可實(shí)際應(yīng)用的并且達(dá)到海森堡極限的量子精密測(cè)量技術(shù)是學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來努力的方向。
在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃量子調(diào)控與量子信息重點(diǎn)專項(xiàng)的支持下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒課題組摒棄常規(guī)思路，創(chuàng)新性地對(duì)標(biāo)準(zhǔn)弱測(cè)量方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，把制備混態(tài)探針和測(cè)量虛部弱值技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)上成功達(dá)到了海森堡極限精度，并用來測(cè)量單個(gè)光子在商用光子晶體光纖中引起的克爾效應(yīng)。這種方法所用探針來源于常規(guī)的激光脈沖，從而擺脫了光子數(shù)N的限制。研究組在實(shí)驗(yàn)上利用了含有約十萬個(gè)光子的激光脈沖，測(cè)量商用光子晶體光纖的單光子克爾系數(shù)精度達(dá)到了10-10弧度，比此前經(jīng)典方法測(cè)量的最高精度提高了兩個(gè)量級(jí)。這是國(guó)際上首個(gè)在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作。研究成果2018年1月8日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·通訊》上。
圖1）測(cè)量由單個(gè)光子引起的克爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖
圖2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在光子數(shù)小于十萬時(shí)測(cè)量精度反比于光子數(shù)，達(dá)到海森堡極限。
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