中国科学家将量子测量精度提升到“天花板”水

湖北日报讯（记者李玉林）近日，中国科学院精密测量研究所绑定系统量子信息处理研究团队与中山大学、深圳大学等单位合作，在量子测量领域取得重大突破。首次实验实现了基于矛盾增强的量子锁相探测技术，将测量精度提高到量子力学允许的上限水平，科学家称之为“海森堡极限”。相关成果于12月6日发表在国际权威期刊《自然通讯》上。 纠缠增强量子锁相检测原理示意图。 (a) 从探测启动到最终检测的实验时间； (b) 纠缠态（红色）和非纠缠态（蓝色）的脉冲周期相关奇偶校验； (c) 测量交流的比较纠缠态（红色）和非纠缠态（蓝色）之间的精度，表明纠缠态接近海森堡极限。 （精密测量研究所提供图片）1927年，26岁的物理学家海森堡提出了量子力学中著名的“测不准原理”，从而推导出量子精密测量精度的理论极限。换句话说，海森堡极限是使用量子测量方案可以实现的测量精度的极限。生活中，我们经常会遇到“信号被噪声覆盖”的情况，比如无线电噪声。在科学研究中，从喧闹的噪音中辨别出微弱的信号更加困难。传统的“锁定放大技术”就像调整信号通道，将目标信号与参考信号对齐，然后滤除噪声。然而，近年来发展起来的量子锁相探测技术仅采用量子系统具有独特的相干性，并且总是很难超过标准的量子极限。该研究团队首次将量子纠缠引入量子锁相探测过程，探索多体纠缠在提高测量精度方面的潜力。他们使用两个被捕获的钙离子形成量子纠缠态——就像一对“心灵感应”粒子。无论相距多远，只要一发生变化，人们就会立即“看到”它。结合特殊的脉冲序列作为参考信号，这相当于给检测安装了双重保险。 Winged的实验结果表明，当使用纠缠态时，频率测量精度接近海森堡极限。更令人惊奇的是，该技术的测量精度会随着时间的推移以平方反比的速度提高，这比传统方法的线性提升更快。研究团队还对e脉冲序列技术，可以减少实验误差，在实际应用中更加可靠。在本月初的“荆楚科普讲座”院士科普报告中，中国科学院院士孙和平曾表示：“量子时代给时空基准带来了新成果，我们必须攻克相对论框架下的精密测量问题。”中科院精密测量研究所在量子测量方面的这一突破，是全球首次将纠缠增强技术与量子锁相测量技术相结合的实验，实现了突破标准量子极限的时变信号测量。有关专家表示，它不仅为未来发展高精度量子传感器和新型量子探测装置开辟了新的技术路径，而且具有广泛的应用前景。在实际量子传感器件（如原子钟、磁力计、弱力探测器等）中具有潜在的应用前景，对于量子物理信息和基础研究的进步具有重要意义。中国科学院精密测量研究所博士生王斌、袁文飞、中山大学副教授张家伟、深圳大学助理教授庄敏为该论文的共同第一作者。精密测量研究所周飞副研究员、冯芒研究员、深圳大学教授李朝红为该论文的通讯作者。