突破标准量子极限的量子传感新方法

1月6日，华中科技大学物理学院量子传感与量子信息实验室蔡建明教授团队以“Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing”为题在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表研究论文，提出一种量子临界动力学增强的量子传感新方法。物理学院2017级博士生储耀明为文章第一作者，2019级博士生余柏奕对本文有重要贡献，蔡建明教授、张少良副教授为论文的通讯作者。

发展基于量子资源的量子传感与精密测量在现实世界有着极富前景的应用，比如精确计时、引力波探测、高分辨率检测等，如何利用量子资源突破标准量子极限测量精度则是这一领域的关键科学问题。基于多体量子纠缠的量子传感能突破标准量子极限（测量精度正比于1/sqrt(N), N为用于测量的粒子数，如光子、原子、自旋的数目），实现海森堡极限精度的测量（测量精度正比于1/N，远高于经典测量方法），然而在实验上制备多粒子纠缠态常常面临着较大的挑战。因而，发展能达到海森堡极限测量精度且在实验上易于实现的量子传感新方法，便具有重要的意义。

在量子临界点附近，体系的序参量通常具有发散的极化率，相邻量子基态的可区分性也被明显增强，可利用量子临界效应实现海森堡极限精度的测量。然而，临界点附近的量子基态高度复杂且难以直接制备，量子绝热演化方案需要耗费大量时间，因此这一方法依然面临极大的挑战。

针对上述困难，物理学院蔡建明教授团队通过设计量子体系哈密顿量特定的对易条件，发现一类相变在整个能谱发生的量子体系，进而保证体系呈现出来的量子临界动力学效应不再依赖于量子基态。研究表明，当哈密顿量处于量子临界点附近时，体系从任意的量子初态开始演化，都能够展示出对待测物理参数高度敏感的量子临界动力学行为。从而，针对待测物理参数进行测量的量子费舍信息（Quantum Fisher Information）在临界点附近发散，相应的测量精度可以被显著地提高。

研究团队以量子拉比模型（Quantum Rabi Model）为例，详细阐明了这一新型的量子临界传感方法的基本思想。该方法可以在离子阱、冷原子以及超导量子比特等多种量子体系中加以实现，而且可以推广到其他量子模型，比如光参量振荡器、Lipkin-Meshkov-Glick量子多体系统以及团队在前期工作中发展的非厄米量子传感探针[Phys. Rev. Lett. 124, 020501 (2020)]等。

这一工作为实现基于量子临界现象的量子传感，突破标准量子极限并达到海森堡极限测量精度，提供了一种新的途径。以上研究工作得到国家自然科学基金的资助。（文/华中科技大学）