基于多体量子纠缠的量子感测实现海森堡极限精度测量

量子科学与技术是21世纪的重要研究领域，引领着材料科学与信息技术的巨大变革。作为量子信息领域的重要研究方向之一，量子感测和精密测量在现实世界中具有极为广阔的应用前景。
如何利用量子资源突破标准的量子极限测量精度是该研究方向上的关键科学问题。据了解，基于多体量子纠缠的量子感测可以突破标准量子极限，实现海森堡极限精度的测量。
然而，实验制备多粒子纠缠态通常面临更大的挑战。因此，开发一种能够达到海森堡极限测量精度且易于实验实现的新型量子传感方法具有重要意义。
最近，华中科技大学物理学院量子传感与量子信息实验室的蔡建明教授的团队提出了一种新的具有增强的量子临界动力学的量子传感方法。该方法旨在实现基于量子临界现象的量子感测并突破标准的量子极限。
并达到海森堡极限测量精度，提供了一种新的方法。在量子临界点附近，系统的阶跃参数通常具有发散的极化率，并且相邻量子基态的可分辨性也得到显着提高。
量子临界效应可用于实现海森堡极限精度的测量。然而，这种方法面临着巨大的挑战：临界点附近的量子基态非常复杂，难以直接制备，并且量子绝热演化方案要花费大量时间。
针对上述困难，研究团队为量子系统的哈密顿量设计了特定的换向条件，以确保系统呈现的量子临界动力效应不再取决于量子基态。研究结果表明，当哈密顿量接近量子临界点时，该系统从任何量子初始状态演化而来，并且可以表现出对要测量的物理参数高度敏感的量子临界动力学。
因此，针对要测量的物理参数而测量的Quantum Fisher信息（QuantumFisherInformation）在临界点附近发散，并且可以显着提高相应的测量精度。此外，研究团队以量子拉比模型为例来阐明这种新型量子临界传感方法的基本思想。
该方法可以在各种量子系统中实现，例如离子阱，冷原子和超导量子位，并且可以扩展到其他量子模型，例如光学参量振荡器，Lipkin-Meshkov-Glick量子多体系统和该团队在工作中开发了早期的非Hermitian量子感测探针。以上研究工作由国家自然科学基金资助。