中国科学技术大学首次实现分布式量子相位估计的实验验证

来自中国科大的消息显示，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证，这为将来构建基于量子网络的高精度量子传感奠定了基础。

据了解，分布式传感是一种可用于同时执行远程空间多个节点上精密测量任务的重要手段，在日常生活、科学研究和工程等领域有着广泛的应用，例如桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的有效监测。

随着量子技术的不断发展，传感技术也迈进了量子化时代。量子网络作为量子信息和量子计算的重要组成，在执行各类远程多节点任务中起着重要作用。当对多个空间分布的参量进行测量时，分布式量子传感能够实现超越经典统计极限的测量精度。

然而，分布式量子传感面对着一个重要问题：如何选择并制备能够实现对多个参量最优的测量精度的量子纠缠态呢？

研究表明，对于某类分布式的最大纠缠态，理论上能够达到最优测量精度，即海森堡极限。

针对这一重要问题，研究团队设计了最优的测量方案，基于多光子量子纠缠，通过操纵六光子干涉仪，实验演示了多个独立的相移及其平均值测量。实验结果显示，利用分布式纠缠态进行测量，其精度可以超越经典传感器的理论极限。

▲分布式量子传感实验装置图

同时，基于光子纠缠和相干性组合的方案，研究团队还进一步实验演示了多个空间相移的线性组合测量（参数数量总个数达到 21 个），与仅利用粒子纠缠的方案进行对比。结果显示，该组合式方案不仅能够增加可测量参数数量，还能提高测量精度。

基于这一实验显示，此项工作成功实现了多参量分布式量子传感的原理性实验验证，评估了不同纠缠结构情况下的测量精度，验证了纠缠结构对测量精度的增强效果，扩展了资源利用率和可测量的参量数量，朝分布式量子传感的实际应用迈出了重要一步。

据悉，该成果于 11 月 30 日在国际学术知名期刊《自然 · 光子学》上在线发表，审稿人对该工作给予高度评价，称赞这是一项 “重要的里程碑工作”。

除此之外，该工作得到科技部、国家基金委、中科院和安徽省等资助。

附：中国科大达海到森堡极限的量子精密测量成果（截至目前）

1. 量子弱测量方法 -- 单光子克尔效应测量。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，中国科大首次实现海森堡极限的量子精密测量。研究成果 2018 年 1 月 8 日在《自然 · 通讯》上发表。

（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02487-z）

2. 量子弱测量方法的优化。把单光子克尔效应测量精度再次提升接近一个量级，实验结果首次逼近了最优海森堡极限。研究成果于 2018 年 8 月 8 日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506）

3. 一般非对易信道参数测量。在一般非对易信道参数测量中，通过量子控制主动调控非对易的量子信道。研究成果于 2019 年 7 月 26 日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.040501）

4. 纠缠态测量。可快速检验出实际制备的多体纠缠态相对于目标纠缠态的保真度，测量精度达到海森堡极限，更重要的是该方法所需测试样本数不会随着纠缠态规模增大而增加。研究成果于 2020 年 7 月 17 日在《物理评论快报》上发表。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.030506）

5. 单光子源量子精密测量。中国科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得重要进展，研究成果以 “编辑推荐”形式于 2020 年近日在《物理评论快报》上发表。同时，美国物理学会 Physics 网站以 “面向完美的单光子源”（Toward a Perfect Single-Photon Source）为题专门对该工作做了高亮报道。

（论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601）

6. 分布式量子精密测量。该成果于 11 月 30 日在《自然 · 光子学》上在线发表。

（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-00718-2）

责任编辑：PSY