基于高品质单光子和多光子纠缠的超越标准量子极限精密测量技术

This integrated project combines four scientific research institutions to form a complementary scientific research team, aiming at "beating the standard quantum limit measurement based on high-quality single- and multi-photon entanglement sources". The main tasks include: 12-photon entanglement, triggered multiphoton N00N states, single-photon squeezed states, and microcavity-enhanced semiconductor quantum-dot-based multiphoton entanglement. On this basis, quantum precision measurements beyond the standard quantum limit will be implemented, which will be applied to micro-rotation, phase shift, frequency shift and other physical measurements. At the same time, we will theoretically study the system loss and noise equivalent response to the impact of quantum precision measurement. For practical applications, noise-tolerance measurement schemes and corresponding data analysis algorithms and statistical tools will be developed.

本集成项目联合4家科研单位，组建优势互补的科研攻关团队，瞄准“基于多光子多自由度纠缠的超越标准量子极限测量”，致力于发展面向量子精密测量的高品质量子光源：包括12光子GHZ态、可触发的多光子N00N态，单光子压缩态，以及基于微腔增强的半导体量子点的多光子纠缠态等，并以此为资源实现超越标准量子极限的量子关联测量，应用于对微转动、微相位及微频移等物理量的精密测量。同时从理论上，研究系统损耗和噪声等效应对量子精密测量的影响，针对实际应用，发展具有噪声容忍度的测量方案及相应的数据分析算法和统计工具。

围绕着基于高品质单光子和多光子纠缠的超越标准量子极限精密测量技术的若干关键问题，项目组在基于多粒子多自由度纠缠的精密测量、面向精密测量的高品质单光子源、量子纠缠调控与表征以及量子测量新方案等四个方面开展系统研究，取得了一系列处于国际前沿的重要研究成果：成功制备出十二光子偏振纠缠；基于光子的偏振、路径和轨道角动量制备出六光子十八比特超纠缠；在理论上提出最优能量劈裂比的椭圆微腔模型，实验上成功产生了高效率、单偏振、确定性的高品质单光子源，突破了单偏振单光子效率50％损失的问题；提出了双色激发二能级系统的理论，并在实验上通过双色激发脉冲，在不用正交极化消光的条件下成功产生了无背景的高品质单光子源，解决了共振荧光长期存在的激光本底噪声问题；发展的基于量子点微柱系统的高品质单光子源，通过对共振荧光的直接测量，得到了0.59dB的强度压缩，修正后在第一物镜处的压缩量高达3.29 dB，创造了新的记录，这也是首次在国际上获得在单一器件上同时结合高纯度、高不可分辨、高效率和强度压缩的高品质单光子源；通过双光子共振激发技术制备了综合性能达到国际最优的双光子纠缠源；首次在实验上实现了纠缠态的量子近似克隆；首次从实验上实现对超过一个粒子的任意量子态进行直接测量；实现了基于量子隐形传态的逻辑比特编码；首次实现高维量子隐形传态；基于确定性高品质量子点单光子源和准光子数分辨探测器演示了高保真度、高预报效率和高操作速度的预报型非破坏CNOT门；首次在实验上观测了超越量子比特系统的几何特征分类，揭示了高维度量子系统更加复杂的几何结构，发展了对于高维度量子系统新的研究工具；实现了量子探测器自表征；实现了量子探测器相干性的实验量化；发展了基于弱测量的大动态范围光量子测量技术；实现了接近量子极限的目标探测；实现了基于弱值的量子探测器直接表征。