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突破海森堡极限？郭光灿团队展示不确定门序的量子计量
5月1日，中国科学技术大学Peng Yin、陈耕Geng Chen、 李传锋、郭光灿等，香港大学Xiaobin Zhao（一作），Giulio Chiribella等，在Nature Physics上发文，提出了一种光子实现方式，超越了海森堡极限的量子计量协议。
量子计量学是最有前途的近期量子技术之一。它的核心是利用量子性质（如纠缠和相干），以提高测量的精度、超越经典设置的极限。最典型的例子是，从标准量子极限N-1/2到海森堡极限N-1，从N个独立过程或同一过程的N个独立应用中估计一个参数的均方根误差(RMSE)减少了。
现在，海森堡扩展已经在各种设置中得到证明，例如，通过准备N个纠缠的探针、或让一个探针在考虑的N个过程中依次演变。一般来说，海森堡极限被广泛认为是独立过程的终极量子极限。
尽管理论表明，连贯控制顺序的能力是量子计量学的一种优良性质，但这种性质的好处直到现在还没有被实验观察到。主要的挑战在于，现有的实验装置受到量子开关的启发、在有限维系统上控制操作，而实现超海森堡扩展的装置需要在无限维的连续变量系统中对操作的顺序进行相干控制。——实现高精度、控制连续变量操作的顺序远不是那么简单的。
近日，实验团队建立了一个能精确控制连续变量系统操作顺序的光量子开关，开始了不确定门序在实验性量子测量中的应用。总的来说，研究团队表示，“我们的实验特点是在连续可变系统中展示了不确定的因果顺序，并开辟了由不确定的因果顺序促进的量子计量设置的实验研究。”
此次，实验是在一个单光子量子系统上进行的，它有一个与光子的偏振相对应的离散可变度，以及一个与光子的横向空间模式相关的连续可变度。其中，连续可变自由度经历两组相位空间位移。
研究表明，只需要一个初始能量与N无关的单光子探针。使用因果顺序的叠加，优于以确定顺序探测位移的每个装置。最终，这一实验装置展示了接近超海森堡尺度的精度，这是任何使用与类似方案相同的能量、以固定的顺序探测同一组门的方案所无法实现的。
未来，团队表示，不确定的因果顺序是否可以用来实现离散变量系统的超海森堡扩展；另外，未来研究的一个重要方向是弥补原理证明和更多实际应用之间的差距。“一个有趣的可能性是，像本工作中提出的方案，或者像其有限维版本，可能会在量子磁测量或与电磁场和引力场相关的几何量估计中得到应用。”
参考链接：[1]https://mp.weixin.qq.com/s/qEfGmqCgiHXWA2AL35rpFw[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02046-y
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