研究亮点

一般而言，弱周期信号长时间平均值为零，而且弱周期信号会被淹没在强噪声之中。如果想要获得高信噪比的目标信号，就需要降低噪声的影响或者增强探针对目标信号的响应。对于经典探针，经典锁相放大器可以从强噪声环境中获取高信噪比的目标信号。对于量子探针，类比于经典锁相放大器的单粒子量子锁相放大器已经被提出并用于高精度频率测量、电磁场测量和弱力探测等。

当前量子锁相放大技术的研究都还只集中于单粒子体系，如何在多粒子系统中实现量子锁相放大技术，并用于实现突破标准量子极限的弱周期信号测量是精密测量领域中一个有待解决的重要科学问题。此外，传统的量子锁相放大测量虽然可以用于噪声环境中弱周期信号的高精度测量，但无法同时给出信号的频率、幅度和相位的值。在经典探针中，经典双锁相放大器可以解决这个问题。类比于经典双锁相放大器，如何实现量子双锁相放大器是弱周期信号测量领域中一个有待解决的重要科学问题。

基于多粒子系统，结合量子锁相放大测量的基本原理和量子力学中的非对易动力学，我们发展了多体量子锁相放大器的一般方案，并提出了利用周期脉冲序列下的量子干涉来实现多体量子锁相放大器，实现突破标准量子极限的弱周期信号测量。

图一：(a)经典锁相放大器；（b）多体量子锁相放大器

基于单粒子系统，结合经典双锁相放大测量基本原理和量子锁相放大测量基本原理，我们发展了量子双锁相放大器的一般方案，并提出了利用两组正交周期脉冲序列下的量子干涉来实现量子双锁相放大器，实现信号频率、幅度和相位的同时测量。进一步，我们也研究了量子锁相放大测量的冷原子实现。

图二：(a)经典双锁相放大器；（b）量子双锁相放大器

我们的研究对推进量子精密测量理论研究、量子传感理论研究有重要的意义。此研究不仅将增进人们对量子锁相放大测量的理解，而且在噪声环境下含时信号（比如电磁场测量、弱力测量、频率测量等）测量方面具有广阔的应用前景，也可能为新奇量子传感器件的设计、制造提供新方案。

论文信息：

[1] Min Zhuang, Jiahao Huang, and Chaohong Lee, “Many-Body Quantum Lock-In Amplifier”, PRX Quantum 2, 040317 (2021).

[2] Sijie Chen, Min Zhuang, Ruihuang Fang, Yun Chen, Chengyin Han,  Bo Lu,  Jiahao Huang, and Chaohong Lee, “Quantum Double Lock-In Amplifier”, arXiv:2303.07559(2023) [Acceptance by Communications Physics]