中國(guó)科大在分布式量子高精度傳感獲得重大突破

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等利用多光子量子糾纏在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)分布式量子相位估計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這為將來構(gòu)建基于量子網(wǎng)絡(luò)的高精度量子傳感奠定基礎(chǔ)。該成果于11月30日在國(guó)際學(xué)術(shù)知名期刊《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表。

分布式傳感是一種可用于同時(shí)執(zhí)行遠(yuǎn)程空間多個(gè)節(jié)點(diǎn)上精密測(cè)量任務(wù)的重要手段，在日常生活、科學(xué)研究和工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，該項(xiàng)技術(shù)可用于橋梁、飛機(jī)等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布的有效監(jiān)測(cè)。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也邁進(jìn)了量子化時(shí)代。量子網(wǎng)絡(luò)作為量子信息和量子計(jì)算的重要組成，在執(zhí)行各類遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)任務(wù)中起著重要作用。當(dāng)對(duì)多個(gè)空間分布的參量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，分布式量子傳感能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典統(tǒng)計(jì)極限的測(cè)量精度。然而，分布式量子傳感面對(duì)的一個(gè)重要問題是：如何選擇并制備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)參量最優(yōu)的測(cè)量精度的量子糾纏態(tài)。研究表明，對(duì)于某類分布式的最大糾纏態(tài)，理論上能夠達(dá)到最優(yōu)測(cè)量精度，即海森堡極限。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了最優(yōu)的測(cè)量方案，基于多光子量子糾纏，通過操縱六光子干涉儀，實(shí)驗(yàn)演示了多個(gè)獨(dú)立的相移及其平均值測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用分布式糾纏態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其精度可以超越經(jīng)典傳感器的理論極限。基于光子糾纏和相干性組合的方案，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)演示了多個(gè)空間相移的線性組合測(cè)量（參數(shù)數(shù)量總個(gè)數(shù)達(dá)到21個(gè)），與僅利用粒子糾纏的方案對(duì)比，該組合式方案不僅能夠增加可測(cè)量參數(shù)數(shù)量，還能提高測(cè)量精度。

該項(xiàng)工作成功實(shí)現(xiàn)了多參量分布式量子傳感的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)估了不同糾纏結(jié)構(gòu)情況下的測(cè)量精度，驗(yàn)證了糾纏結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量精度的增強(qiáng)效果，擴(kuò)展了資源利用率和可測(cè)量的參量數(shù)量，朝分布式量子傳感的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步。《自然·光子學(xué)》雜志的審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，稱贊這是一項(xiàng)“重要的里程碑工作”（constitutes a significant milestone）。

分布式量子傳感實(shí)驗(yàn)裝置圖

該工作得到科技部，國(guó)家基金委，中科院和安徽省等資助。
責(zé)編AJX