近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院曾贵华教授团队在量子精密测量研究中取得重要进展。该工作针对量子多参数估计的量子精度极限不相容问题，提出了度量参数间精度极限不相容程度的理论判据，并设计了能使两个不相容物理参数量子测量精度同时逼近理论极限的量子探针，首次实现了对同一光束的纳米级横向位移与纳弧度级角向偏折的同时测量。研究成果以“Toward incompatible quantum limits on multiparameter estimation”（在多参数估计中逼近不相容量子精度极限）为题，于2月23日在线发表于国际著名期刊《Nature Communications》上。
研究背景
海森堡测不准原理是量子物理学的基石。该原理表明，不同的待测物理参数对应不同的最优测量算子，如果两个物理参数的最优测量算子非互易，则无法同时对这两个物理参数做最优测量：当一个参数的测量精度逼近其理论极限时，另一个参数的测量精度将远离其理论极限，即多参数测量的量子精度极限不相容性。如果这种不相容性能被减弱，则两个参数的整体测量精度可以同步得到有效提升，这个问题已成为量子物理学和量子精密测量领域长期关注的核心问题之一。特别是，如何使不相容的多参数测量精度同步达到量子精度极限，是其中最具挑战性的问题，在量子传感、量子通信和量子计算领域具有重要实际意义。
研究亮点
针对量子多参数估计中的精度极限不相容问题，本工作开展了理论与实验研究，主要取得了如下成果：
通过对不相容参数在实际测量时能够到达的精度下界进行研究，提出了表征不相容性大小的理论判据。该判据表明，在多参数量子估计任务中，可以通过同时增大探测指针关于不相容参数生成元的不确定度，以减弱两个参数在同时估计时精度极限的不相容性，从而使这两个参数的整体测量精度得到提升。
理论结果
采用厄米-高斯探针模式，实现了同一光束横向位移参数和角向偏折参数的实际测量精度同时逼近量子极限，横向位移测量精度达到1.45 nm，角向偏折测量精度达到4.08 nrad。实验中使用了后选择弱测量方法来抵抗技术噪声。研究还发现，随着厄米-高斯探针模式数增加，两个参数的测量精度将同步提升。
实验框图
实验结果
研究意义
该工作的意义在于，给出了量子参数之间的不相容程度普适性理论判据，为解决量子多参数估计的精度极限不相容问题奠定了基础。另外，实现了对同一光束两个不相容参量的量子精度极限测量，测量精度到达国际领先水平。该技术在偏振测量、振动传感、磁场探测、量子通信、量子成像、量子计算等方面具有潜在应用价值。
值得一提的是，曾贵华教授团队近年来潜心量子精密测量方面研究，已取得系列创新成果，代表性成果包括：提出了基于高阶厄米-高斯模的光束转动角精密测量技术[Photonics Research 10, 2816(2022)]、基于深度强化学习技术的最优量子参数估计方案[npj Quantum Information 8, 2 (2022)]、基于监督学习和迁移学习技术的量子模拟验证协议[npj Quantum Information 8, 138 (2022)]、以及可突破奈奎斯特极限与增大动态适应范围的时变量子参数估计新方法[Physical Review Applied 18, 034077 (2022); Physical Review Applied 18, 044031 (2022)]。
基于这些机理和技术方面的突破，团队在光量子陀螺仪、光量子声探测仪的样机研制中也取得了重要进展，尤其是已经完成了一种新型光量子陀螺仪样机的研制，其零偏稳定性、随机游走等综合性能指标达到国际领先水平。
关于论文
论文第一作者为电院博士生夏彬珂，通讯作者为电院黄靖正副研究员和曾贵华教授，其他作者包含该团队的李洪婧副研究员和硕士生汪晗。相关研究工作得到国家自然科学基金、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放基金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36661-3
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