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中国科学院物理研究所 Q01&T05组供稿 第11期 2015年04月07日
北京凝聚态物理国家实验室
量子纠缠辅助量子计量学在金刚石固态系统的展示
  人们对物理量大小的认知依赖于测量,为了得到较为精确的测量结果,一般需要进行多次测量并将测量结果进行平均。统计学的“中心极限定理”告诉我们,测量的不确定度将随测量次数N的平方根成反比缩小,这种测量在原理上与对量子比特相位的测量完全一致,其测量精度受限于标准量子极限,随着量子信息处理技术的发展,人们最近也意识到如果把多个相同的量子比特纠缠起来以形成特殊的量子纠缠态,测量的精度将有可能超越标准量子极限。同时由于量子力学测不准原理的限制,测量精度也不可能无限制地提高,这个最终的极限被称为海森堡极限。如果同样考虑N个纠缠起来的量子比特,相位测量精度的海森堡极限将与N(而不是N的平方根!)成反比,这样就突破了标准量子极限, 达到更高的精度,这是量子计量学中的一个重要内容。量子计量学是利用量子物理及量子信息科学的原理来提高测量精度的研究领域,是一个新兴的量子物理和精密测量的交叉学科。
  利用量子光学中的压缩态,量子精密测量技术已被成功应用到引力波的探测中(激光干涉仪引力波探测装置LIGO),其测量精度可以超越标准量子极限,但是利用量子纠缠资源对量子计量学超越标准量子极限的演示实验并不多,特别在固态系统中这方面的工作还未见报道。
  最近,中科院物理研究所固态量子计算实验室潘新宇副研究员与凝聚态理论和计算重点实验室范桁研究员,博士生刘刚钦(现香港中文大学博士后)、张煜然、常彦春及岳洁东,理论实验紧密合作,在金刚石-氮空位中心系统成功展示了量子纠缠对量子相位估计精度的提高作用(Nature Communications 6, 6726 (2015))。氮空位中心电子自旋和近邻的13C核自旋作为独立的量子比特使用时,其相位信息可以由射频微波脉冲精确地控制和测量,重复测量能达到的精度遵循“中心极限定理”;当这两个不同物理载体的量子比特纠缠到一起时,对它们相位信息的统一测量能获得比独立测量更高的精确度,逼近海森堡极限。在实现了双比特系统纠缠态相位制备和测量步骤等关键实验技术之后,他们通过单独测量这两个量子比特的相位信息和统一测量两量子比特所形成的纠缠态的相位信息两种情况的比较,统计这两种情况在相位测量结果的方差信息,发现通过量子纠缠可以很明显地提高测量精度,从而首次在室温固态系统实现了量子计量学的原理演示。量子计量学有广阔的实用化前景,应用范围可以从微观世界,宏观物体如快速移动目标和矿产资源,到宇宙星体,可以促进精密测量和各种探测技术从经典方法到量子技术的跨越。固态系统原理性演示实验将会为促进此方向的发展奠定基础。相关研究结果已发表在《自然•通讯》上Nature Communications 6,6726 (2015).
  此项工作得到国家自然科学基金委员会,科技部973计划,中国科学院先导专项及创新协同中心的支持。
  文章链接:http://www.nature.com/ncomms/2015/150402/ncomms7726/full/ncomms7726.html
图1:基本实验方案和物理系统展示。(a) 两量子比特系统分别由金刚石系统中氮空位中心的电子自旋和邻近的13C核自旋来实现。作为标准量子极限方法和量子纠缠方法的比较,可采取两种不同测量相位的方法。一种方法采用两量子比特分别测量相位信息的技术,另外一种方法利用控制非门制备的量子纠缠态整体相位测量技术。(b) 两量子比特系统可用多种调控手段进行量子态高保真度控制和读出,量子逻辑门可利用微波和射频来实现。
图2:(a) 量子比特可以用布洛赫球来描述,量子比特的相位信息可以用布洛赫球赤道上的不同点来表示,相位信息的测量通过在不同方向的投影实现。(b) 实验中量子态制备、控制和读出的微波和射频脉冲系列。(c,d,e,f)相位测量在不同重复次数时所得结果。
图三:两量子比特分别测量相位信息和形成纠缠态测量相位信息不确定度的比较。(a,c,d)分别展示出纠缠态相位测量的精度明显高于单独相位测量的精度。(b) 标准量子极限和海森堡极限的公式和实验数据分别符合的很好,可以展示量子纠缠辅助量子计量学的优势。
下载附件>> NatureCommunications 6, 6726 (2015).pdf
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