量子精密測量是量子信息科學(xué)中新發(fā)展起來的一個重要方向，旨在利用量子資源和效應(yīng)實現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測量精度。該領(lǐng)域之前一個重要發(fā)現(xiàn)是，利用多光子糾纏態(tài)作為探針，可以實現(xiàn)海森堡極限精度的光相位測量。在這種情況下測量精度可以反比于探針?biāo)墓庾訑?shù)N，而經(jīng)典的測量方法精度只能反比于根號下N，也就是通常說的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。由于實驗上很難制備光子數(shù)大于10的糾纏態(tài)，這種方法尚不具有實際的測量能力。設(shè)計一種可實際應(yīng)用的并且達到海森堡極限的量子精密測量技術(shù)是學(xué)術(shù)界長期以來努力的方向。

    在國家重點研發(fā)計劃量子調(diào)控與量子信息重點專項的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒課題組摒棄常規(guī)思路，創(chuàng)新性地對標(biāo)準(zhǔn)弱測量方案進行重新設(shè)計，把制備混態(tài)探針和測量虛部弱值技術(shù)相結(jié)合，實驗上成功達到了海森堡極限精度，并用來測量單個光子在商用光子晶體光纖中引起的克爾效應(yīng)。這種方法所用探針來源于常規(guī)的激光脈沖，從而擺脫了光子數(shù)N的限制。研究組在實驗上利用了含有約十萬個光子的激光脈沖，測量商用光子晶體光纖的單光子克爾系數(shù)精度達到了10-10弧度，比此前經(jīng)典方法測量的最高精度提高了兩個量級。這是國際上首個在實際測量任務(wù)中達到海森堡極限精度的工作。研究成果2018年1月8日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·通訊》上。

    圖1）測量由單個光子引起的克爾效應(yīng)的實驗裝置圖

    圖2）實驗結(jié)果。在光子數(shù)小于十萬時測量精度反比于光子數(shù)，達到海森堡極限。