具有噪声容忍度的量子测量方案研究

By utilizing quantum resources, in particular non-classical probe states, quantum metrology can go beyond the limit of classical metrology schemes and approach the ultimate limit of the estimation precision – the Heisenberg limit. Therefore quantum metrology may find important applications in searching ultra-weak signals and probing delicate samples. However, such technique shares the same drawback with other quantum technologies: its performance is very sensitive to experimental imperfections, for example particle loss, dephasing noise, etc. How to achieve the quantum-enhanced precision with the presence of experimental imperfections is the major challenge for the applications of quantum metrology in practical systems. In this project, we will try to provide solutions to this problem in two ways: the generation of loss-tolerant probe states and the design of novel estimation protocols. We will use the techniques on the engineering of non-Gaussian states, developed recently in the field of quantum optics, to generate the probe states with near-optimal loss-tolerance. The enhancement in the estimation precision using such states will be demonstrated. In parallel, we will study a new protocol that achieves Heisenberg limit with the interactions between classical resources. We will investigate the applications of this protocol in various systems, in particular nonlinear-optical systems, and its tolerance to experimental imperfections. We will study the intrinsic relations between the new protocol and that uses the loss-tolerant probe states, and try to acquire new insights about quantum metrology. Our results will make important contributions to the development of quantum-enhanced measurement techniques in the real world.

量子精密测量（quantum metrology）通过使用量子资源特别是非经典探测态，可以突破传统精密测量方案的经典极限，逼近甚至达到测量精度的最终极限——海森堡极限，因此在近年来受到广泛关注。然而与其他量子技术类似，量子精密测量对系统噪声极为敏感。如何在噪声存在的情况下实现超越经典极限的测量精度，是量子精密测量技术获得实际应用所必须解决的问题。本项目在申请人前期工作的基础上，力图通过对探测态结构和测量方案两方面的研究，对该问题提出我们的解决方案。我们将利用量子光学领域关于非经典态的研究经验，制备具有噪声容忍度的探测态，并实验验证其对测量精度的提升。同时我们还将系统研究一种基于经典资源相互作用达到海森堡极限的测量方案，揭示其物理原理和适用范围，探讨该方案对噪声容忍度的改善。我们将探索这两种机制之间的内在关联，获取关于量子精密测量的新认识和新机理，从而进一步推动该技术向实用化迈进。

精密测量物理是现代科学发展的基础，同时有着广泛的工程应用。随着测量技术的不断发展，现有的测量精度已经逐渐逼近传统测量技术的极限。通过在精密测量方案中引入全新的量子资源，可以进一步提升测量精度。因而量子精密测量技术在过去几年受到广泛关注，一些初步的方案已经获得应用。然而与其他量子技术类似，量子精密测量对系统噪声极为敏感。如何在噪声存在的情况下实现超越经典极限的测量精度，是量子精密测量技术获得实际应用所必须要面对的挑战。针对这个挑战，本项目集中研究如何改善量子精密测量方案的噪声容忍度。项目共设定三个研究目标1、理论分析和实验制备具有最佳噪声容忍度的非高斯探测态,并演示其测量精度；2、阐明基于相互作用的弱测量方案提高测量精度的物理机制；3、定量分析噪声对于上述方案的影响，并进行实验验证。研究目标2和3已顺利完成，并取得部分超出预期的结果；研究目标1中的实验部分由于对探测器的效率要求极高，购置的超导纳米线探测器刚于2018年12月安装完毕，将在剩余经费资助下完成。.项目取得的成果主要体现在三个方面：1、基于量子干涉仪的精密测量方案，包括光子增加双模压缩态和非对称双模光子数态在量子干涉仪方面的应用；2、基于弱测量在量子精密测量方案，包括基于单光子与强相干光耦合的弱测量以及存在探测器饱和和噪声情况下弱测量对测量精度的提升；3、量子精密测量中的数据分析和控制方法。项目在提出量子精密测量新方案的通知，也针对其在工程应用中的细节问题进行了研究，对于量子精密测量的实际应用具有重要的意义。