研究亮点

马继浩，申毅，黄嘉豪，李朝红

摘要：如何利用量子纠缠来打破标准量子极限是量子精密测量的研究核心之一。我们利用Floquet调制的双轴扭曲-旋转动力学制备用于量子精密测量的类GHZ态。利用半经典解析方法和量子方法，我们发现所需的N粒子类GHZ态可以在非常短的时间内产生，其量子Fisher信息接近海森堡极限。得益于快速的态制备，其对退相干具有很好的鲁棒性。此外，利用Floquet调制的逆双轴扭曲-旋转技术，可以实现相互作用读出，从而提取编码在类GHZ态上的信号。这种通过Floquet调制的逆双轴扭曲-旋转技术提供了一种可行的实现等效时间反演动力学的方法，能够提高测量精度并增强对探测噪声的抗干扰能力，而且无需改变非线性相互作用的符号。通过连续Floquet调制快速制备和读取大粒子数的类GHZ态，我们的研究有望为实现纠缠增强量子精密测量提供一条可行的途径

量子精密测量利用量子纠缠来将测量精度从标准量子极限提升至海森堡极限，在原子钟、磁力计、陀螺仪、重力仪以及其他传感器等领域有着广阔的应用前景。制备具有高量子Fisher信息的纠缠态是当前的重要任务。在所有类型的纠缠态中，多粒子最大纠缠态（即GHZ态）和与GHZ态有相似之处的类GHZ态（例如自旋猫态）是量子精密测量和量子信息追求的最终目标之一。虽然单轴扭曲动力学可以产生这些纠缠态，但其制备所需的演化时间非常长，这带来了实质性的挑战。

已有研究表明，单轴扭曲-旋转和双轴扭曲可以实现更快的纠缠生成。虽然双轴扭曲可以加速纠缠制备，但其相互作用形式在已知的物理系统中并不自然存在。从原理上，利用单轴扭曲-旋转可以实现等效的双轴扭曲相互作用，即通过施加合适的横向耦合将单轴扭曲转化为双轴扭曲。此外，通过在单轴扭曲中施加脉冲，可以实现一种人工的三体相互作用，用以快速制备具有高量子Fisher信息的类GHZ态。一个自然而然的问题随之产生：我们能否利用旋转动力学来加速双轴扭曲，并通过应用Floquet调制来实现更快的类GHZ态制备？

另一方面，提取类GHZ态中编码的信号通常需要单粒子分辨率的宇称、高阶可观测量或全概率分布的测量。然而，单粒子分辨率的测量极易受到探测噪声的影响。为了解决这一挑战，基于时间反演的相互作用读出提供了一个强大的方法，以实现海森堡标度的精密测量。然而这通常需要改变非线性相互作用的符号来实现。能否在不改变非线性相互作用符号的情况下实施时间反演动力学，并实现海森堡标度的精密测量？

我们利用Floquet调制实现的双轴扭曲-旋转动力学来高效制备类GHZ态，并能够进行时间反演读取，而无需反转非线性相互作用的符号。通过引入合适的横向耦合场，Floquet调制可以实现等效的双轴扭曲-旋转动力学。利用半经典解析和量子方法，我们发现可以在更短的时间内产生具有高量子Fisher信息的类GHZ态，这有利于减轻退相干的影响。此外，在不改变非线性相互作用符号的情况下，采用另一种Floquet调制的双轴扭曲-旋转动力学可以实现时间反演读出，这在实验上更易实现。该方法能够有效地提取类GHZ态中编码的信号，为提高测量精度提供了一种鲁棒的方法。我们发展了一种利用连续Floquet调制来快速制备与探测类GHZ态的高效方案，为实现纠缠增强的量子精密测量提供了新途径。