中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子精密測量方向取得重要進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、唐建順等人將弱測量技術(shù)與能量循環(huán)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了超越經(jīng)典測量精度極限的能量循環(huán)型弱測量，展示了量子弱測量技術(shù)在高精密測量領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢。該研究成果11月29日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《物理評論快報》上。
量子弱測量的概念最早由著名物理學(xué)家Aharonov、Albert和Vaidman于1988年提出，已被廣泛應(yīng)用于各類高精密測量中�，F(xiàn)在利用量子弱測量技術(shù)已經(jīng)可以把微弱信號放大上萬倍,然而關(guān)于量子弱測量的精度問題卻一直充滿爭議。以光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，一方面通過設(shè)置光子合適的前選擇態(tài)和后選擇態(tài)，量子弱測量可以實(shí)現(xiàn)對微弱信號的放大，提高測量響應(yīng)度；另一方面弱測量中的后選擇過程會導(dǎo)致僅有少量光子被利用，其余光子全被丟棄掉。而隨著有用的光子數(shù)減少，量子漲落所引起的散粒噪聲(shotnoise)會導(dǎo)致測量精度（信號和噪聲的比值）下降。量子弱測量的精度能否超越經(jīng)典測量精度極限已成為近年來研究熱點(diǎn)。
李傳鋒研究組在實(shí)驗(yàn)上利用光腔技術(shù)使弱測量中被丟棄的光子重新返回測量裝置，實(shí)現(xiàn)測量光子的循環(huán)利用，從而巧妙地將能量循環(huán)技術(shù)與弱測量技術(shù)結(jié)合在一起。他們在保持探測裝置不變的條件下，實(shí)驗(yàn)上分別采用經(jīng)典測量方案、標(biāo)準(zhǔn)量子弱測量方案以及能量循環(huán)型量子弱測量方案對同一光束的微小偏折角度進(jìn)行精密測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)弱測量的精度確實(shí)無法突破經(jīng)典測量精度極限，而能量循環(huán)型量子弱測量在使測量信號強(qiáng)度提高到標(biāo)準(zhǔn)弱測量信號強(qiáng)度的2.4倍的同時，其測量精度卻能達(dá)到經(jīng)典測量精度極限的1.5倍。
本研究成果表明，在測量探針（即本實(shí)驗(yàn)中的光子）得到循環(huán)利用的情況下，量子弱測量相比經(jīng)典測量方案可以達(dá)到更高的測量精度。本工作為量子計算學(xué)及精密測量技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。
文章第一作者為博士研究生王軼韜。該工作得到了科技部、國家自然科學(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。
經(jīng)典測量、標(biāo)準(zhǔn)弱測量和能量循環(huán)型弱測量三種測量方案的原理示意圖
三種方案的測量精度結(jié)果比較
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