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利用有限的資源實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度是科學(xué)發(fā)展的重要需求，量子精密測(cè)量是近年來在此需求驅(qū)動(dòng)下興起的量子信息領(lǐng)域的新方向。量子精密測(cè)量的重要目標(biāo)是使測(cè)量精度反比于單次測(cè)量所使用的光子或原子等的數(shù)目n，即達(dá)到海森堡極限精度。而經(jīng)典測(cè)量方法的精度只能達(dá)到反比于根號(hào)下n，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。顯然，當(dāng)n較大時(shí)量子精密測(cè)量的精度將遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典測(cè)量方法的精度。已有量子精密測(cè)量方法普遍需要利用糾纏態(tài)或壓縮態(tài)等量子資源，受限于現(xiàn)有技術(shù)，而且這些方法尚不具備實(shí)用性。李傳鋒研究組在此前工作中獨(dú)辟蹊徑，將混態(tài)探針和虛部弱測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了海森堡極限精度的單光子克爾效應(yīng)測(cè)量，當(dāng)時(shí)探針光子的利用率為16%[Nature Communications 9, 93 (2018)]。在本工作中，研究組進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)量方法，對(duì)單光子進(jìn)行投影測(cè)量以提取更多的信息，從而把探針光子的利用率提升到83%（即測(cè)量精度約為1.2/n），首次逼近了最優(yōu)海森堡極限（1/n）。實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的單光子克爾效應(yīng)強(qiáng)度約為6E-8弧度，測(cè)量精度與該研究組上一個(gè)實(shí)驗(yàn)相比提升近一個(gè)量級(jí)，達(dá)到了9.5E-11弧度。測(cè)量裝置也變得更加簡(jiǎn)單，用普通的激光脈沖即可完成實(shí)驗(yàn)。

本成果展現(xiàn)了量子精密測(cè)量在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中的優(yōu)越性，為量子精密測(cè)量及量子弱測(cè)量發(fā)展提供了新的思路。本實(shí)驗(yàn)考慮的是單光子克爾效應(yīng)這一特定任務(wù)，如何把這種高效的實(shí)驗(yàn)方法推廣到各種重要的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景將是研究組進(jìn)一步探索的問題。

文章第一作者為陳耕副研究員。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.060506

文章來源：中國(guó)科技大學(xué)

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