研究亮点

当前，人们正处于第二次量子革命的浪潮中，量子力学正在催生变革性技术。量子精密测量作为三大量子技术之一，正处于快速蓬勃发展阶段。量子精密测量不仅是量子科学的前沿，也是原子钟、量子磁力计等量子传感器件的物理基础，是国家在导航定位、医疗诊断和资源勘探等方面的重大战略需求。其中，量子纠缠作为一种独特的量子资源，是突破传统测量精度极限的关键。因此，研究如何利用量子纠缠来提高测量精度是量子精密测量领域的前沿问题之一，可为攻克和发展下一代量子传感器件的关键技术提供支撑。基于冷原子、囚禁离子等多体量子体系，我们研究了基于非高斯纠缠态的量子精密测量基本原理，发展了纠缠增强的量子传感新方案。

量子精密测量旨在利用量子纠缠、量子关联等来提高参数的测量精度。一般地，当N个粒子被制备到适当的量子纠缠态时，它们可以集体地积累与待测物理量相关的信息，从而使得测量精度从传统的标准量子界限（∝1/N）提升到海森堡极限（∝1/N）。随着量子调控与探测技术的快速发展，使得在人工量子体系（如冷原子体系、囚禁离子体系等）中产生、操控和探测多粒子纠缠态成为可能，并不断推动着量子精密测量的发展。基于这些人工量子体系，如何制备和探测多粒子纠缠态并用来提高参数测量精度是其中的亟待解决的关键科学问题。

相比传统无纠缠测量方案，利用自旋压缩态、双数态、自旋猫态、Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态等多种典型的多体量子纠缠态，结合量子干涉手段，可实现超越标准量子极限、甚至达到海森堡极限的高精度测量 [1,2]。在实际应用中，结合非线性探测，可实现对探测噪声具有鲁棒性的测量。这些均可为发展实用量子精密测量技术提供有效手段。具体研究成果如下：

(1) 基于非高斯型纠缠态的量子精密测量。我们提出和发展了基于跨越量子相变的多体量子干涉的精密测量方案 [3-5]；提出了利用原子自旋猫态实现鲁棒的量子相位估计方案 [6,7]；研究了自发对称破缺体系中的绝热演化过程，并提出绝热参数固定的驱动方案制备多粒子纠缠态[8]；提出了利用量子混沌提高参数测量精度的方案 [9]等。

(2) 纠缠增强的量子精密测量与传感新方案。我们提出了利用GHZ态来实现达到海森堡极限的原子Sagnac干涉方案 [10]；提出了多体量子锁相放大器 [11]，可同时测量磁场的振幅和频率；提出了纠缠增强的射频磁场直流交流分量同时测量的方案 [12]；提出了基于纠缠原子系综的洛伦兹不变性破缺验证方案 [13]等。

论文信息

[1] Jiahao Huang, Min Zhuang, Chaohong Lee*, Entanglement-enhanced quantum metrology: from standard quantum limit to Heisenberg limit, Applied Physics Reviews (2024) [accepted].

[2] Bo Lu, Chengyin Han, Min Zhuang, Yongguan Ke, Jiahao Huang, Chaohong Lee*, Non-Gaussian entangled states and quantum metrology with ultracold atomic ensemble, Acta Phys. Sin. 68, 20190147 (2019).

[3] Chaohong Lee, Adiabatic Mach-Zehnder Interferometry on a Quantized Bose-Josephson Junction, Phys. Rev. Lett. 97, 150402 (2006).

[4] Jiahao Huang, Min Zhuang, Chaohong Lee*, Non-Gaussian precision metrology via driving through quantum phase transitions, Phys. Rev. A 97, 032116 (2018).

[5] Min Zhuang, Hongtao Huo, Yuxiang Qiu, Wenjie Liu, Jiahao Huang*, and Chaohong Lee*, Heisenberg-Limited Frequency Estimation via Driving Through Quantum Phase Transitions, Phys. Rev. Applied 16, 064056 (2021).

[6] Jiahao Huang, Xinzhou Qin, Honghua Zhong, Yongguan Ke, Chaohong Lee*, Quantum metrology with spin cat states under dissipation, Sci. Rep. 5, 17894 (2015).

[7] Jiahao Huang, Min Zhuang, Bo Lu, Yongguan Ke, Chaohong Lee*, Achieving Heisenberg-limited metrology with spin cat states via interaction-based readout, Phys. Rev. A 98, 012129 (2018).

[8] Min Zhuang, Jiahao Huang, Yongguan Ke, Chaohong Lee*, Symmetry-Protected Quantum Adiabatic Evolution in Spontaneous Symmetry-Breaking Transitions, Ann. der Physik 532, 1900471 (2020).

[9] Weijie Liu, Min Zhuang, Bo Zhu, Jiahao Huang*, Chaohong Lee*, Quantum metrology via chaos in a driven Bose-Josephson system, Phys. Rev. A 103, 023309 (2021).

[10] Chengyi Luo, Jiahao Huang*, Xiangdong Zhang, Chaohong Lee*, Heisenberg-limited Sagnac interferometer with multiparticle states, Phys. Rev. A 95, 023608 (2017).

[11] Min Zhuang, Jiahao Huang*, Chaohong Lee*, Many-Body Quantum Lock-In Amplifier, PRX Quantum 2, 040317 (2021).

[12] Min Zhuang, Jiahao Huang*, Chaohong Lee*, Simultaneous Measurement of dc and ac Magnetic Fields at the Heisenberg Limit, Phys. Rev. Applied 13, 044049 (2020).

[13] Min Zhuang, Jiahao Huang*, Chaohong Lee*, Entanglement-enhanced test proposal for local Lorentz-symmetry violation via spinor atoms, Quantum 6, 859 (2022).