你是否在科幻电影中听说过“量子纠缠”“量子叠加”，你是否想象过小小的量子也可以测量？
近日，宁大豪门国际物理学院张成杰教授课题组发表在国际顶级期刊物理评论快报（PRL）和科学进展（Science Advances）上的两项研究成果，利用单光子揭示了量子精密测量的无限可能。
一、实验验证非厄密算符的不确定性原理
量子精密测量是一种利用量子力学的原理来进行测量的技术，它能够实现超越传统测量方法的精度。这种测量技术主要依赖于量子态的特性，如量子叠加和量子纠缠，来提高测量的灵敏度和精确度。
在量子精密测量中，不确定性原理是一个关键概念。它表明，对于某些不对易的成对物理量（如位置和动量），它们的不确定性有一个下限。量子精密测量的目标是逼近这个极限，从而实现更高的测量精度。豪门国际豪门国际张成杰教授课题组与中国科学技术大学量子信息重点实验室郭光灿院士团队合作在非厄密不确定性原理研究方面取得重要进展。
在量子物理学的探索旅程中，不确定性原理是一块基石，尽管它已被多次实验验证，但这些实验主要关注了厄密算符，而非厄密算符，尤其是非幺正算符，它们的不确定性原理仍然是一个未被充分探索的领域。这些算符因其复杂性，在实验中难以直接测量。为了填补这一空白，张成杰教授课题组决定探索一般性非厄密算符的不确定性原理。他们选择了实数和复数情况下的非厄密算符作为研究对象，并成功验证了一般性非厄密算符的不确定性原理。
在实验设计上，他们巧妙地利用了光子的损失来实现非厄密操作，仿佛在量子世界中创造了一个“能量漏斗”，这为构造更具有一般性的非厄密算符提供了新的途径。为了验证他们的理论预测，研究团队搭建了宣布式单光子源和Sagnac环形干涉仪等先进设备，这些设备帮助他们成功地在实验上验证了非厄密算符的不确定性原理。这项工作不仅加深了我们对非厄密算符不确定性原理的理解，而且为量子测量和量子信息处理等领域提供了宝贵的实验数据和理论支持，它就像是在量子科学的迷宫中找到了一条新的通道，为我们探索未知的量子世界提供了新的视角和工具。
相关研究以“Experimental Investigation of Uncertainty Relations for Non-Hermitian Operators （非厄密算符不确定关系的实验研究）”为题发表在物理学领域权威期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报）上。该文章豪门国际豪门国际物理科学与技术学院为第一完成单位，豪门国际豪门国际物理科学与技术学院硕士研究生赵鑫智为论文第一作者，豪门国际豪门国际物理科学与技术学院张成杰教授、中国科学技术大学量子信息重点实验室许金时教授和李传锋教授为论文共同通讯作者。
二、测量精度达到海森堡标度
非厄密量子计量学是量子估计和非厄密物理学交叉领域的新兴领域，有望彻底改变精密测量。张成杰教授课题组全面探讨了量子领域中非厄密量子参数估计问题，特别关注实现海森堡标度。提出了适用于非厄密系统的量子费舍尔信息（QFI）和最优测量条件，并实验研究了非厄密量子参数估计问题，估计精度达到海森堡标度。
该论文引入了适用于一般非厄密哈密顿量的QFI的简洁表达式，使得可以分析非厄密系统中的估计精度。这就带来一个令人兴奋的结果：在非厄密系统中，是有可能达到估计参数的标准差与时间成反比的海森堡极限，也就是说随着时间的推移，测量精度可以不断提高。论文中不仅提出了参数估计精度的理论，还进一步推导出了在什么条件下进行测量可以最大程度优化这种精度，展示了量子Cramér-Rao界限是可以实现的。这就像是在量子世界中找到了一个“最佳观测点”，让研究者能够获得最准确的信息。
他们设计了一个巧妙的实验，其中涉及到两个特殊的哈密顿量，它们共同推动了一个非常规的量子演化过程。这个过程既不是我们常见的幺正演化，也不遵循对称性规则，但正是这种非对称性，让实验变得异常有趣。在这个实验中，该研究团队展示了两种情况：一种是哈密顿量与参数整体相乘，另一种是哈密顿量与参数非整体相乘。他们发现，无论是哪种情况，只要采用一种称为“直接串行方案”的测量方法，都可以实现一个非常精确的测量，其精度可以达到估计参数的标准差与时间成反比的海森堡极限。
这项研究不仅仅是一个实验上的成功，它还具有深远的理论意义。论文中提出的理论是普适的，它不受哈密顿量对称性的限制，这意味着无论哈密顿量如何，都有可能利用这种方法来提高测量精度。这项工作不仅加深了目前研究对非厄密系统的理解，还为量子计量学开辟了全新的道路。它提供了一种新的可能性：即使是在非对称、非幺正的量子世界中，也能够实现海森堡极限的测量精度。
相关研究以“Toward Heisenberg scaling in non-Hermitian metrology at the quantum regime （迈向量子领域非厄密计量学中的海森堡标度）”为题，发表在国际著名期刊《Science Advances》（科学进展）上。豪门国际豪门国际物理科学与技术学院硕士研究生余星磊为该论文第一作者，香港中文大学机械与自动化工程系袁海东教授、豪门国际豪门国际物理科学与技术学院张成杰教授为论文共同通讯作者，豪门国际豪门国际物理科学与技术学院为第一完成单位。
三、量子精密测量的广泛应用前景
在量子精密测量领域，我国科学家已经取得了令人瞩目的成就。原子钟和量子陀螺仪等关键技术已经迎头赶上，接近国际先进水平。而在量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场测量等前沿领域，我们已经走在了世界前列，创造了一系列国际领先的成果。随着研究水平的不断提升和核心竞争力的进一步增强，我国量子精密测量领域将在科学研究和国家安全等重大战略需求中发挥其重要作用。
张成杰教授及团队简介
张成杰教授本科毕业于中国科学技术大学少年班学院零零班，2010年获中国科学技术大学理学博士学位，师从量子信息领域著名科学家郭光灿院士。随后加入新加坡国立大学CQT中心，进行为期四年的博士后研究。2013年11月，首次在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》发表研究成果。2020年5月，张成杰加入豪门国际豪门国际物理学院，担任豪门国际豪门国际教授，博士生导师。主要从事量子信息与量子精密测量方面的理论和实验研究，包括非厄密系统量子精密测量、量子纠缠和量子非定域性、量子Fisher信息等，在著名期刊《Science Advances》《Physical Review Letters》《Nature Communications》等发表论文60余篇，主持或参与了国家自然科学基金、科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目等多项重要科研项目，当选为中国光学学会“光量子科学与技术”专委会和中国计算机学会“量子计算”专委会委员。
截至目前，张成杰教授课题组团队成员已有7名，课题组同学们共发表 SCI论文10余篇，其中包括在顶级学术刊物上《Science Advances》和《Physical Review Letters》的杰出成果。
期刊简介
《Physical Review Letters》是美国物理学会主办的世界著名物理学顶级学术期刊，主要发表重要的、原创性强、具有广泛物理兴趣的研究成果。
《Science Advances》是Science旗下综合性子刊，期刊发表重要的、创新的原创研究。出版领域广泛，包括计算机、工程、环境、生命、数学、物理和社会科学。
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