研究亮点

刘然，杨晓东，吕翔，龙新月，刘鸿枫，鲁大为，董莹，李俊

摘要：量子芝诺动力学通过将系统演化限制在受保护的子空间中，为抑制噪声、保护量子信息提供了有效手段。我们提出一种将量子芝诺动力学用于鲁棒量子精密测量的可行方案，通过在参数编码阶段引入强粒子间相互作用，避免对编码过程干扰同时提升对噪声抵抗效果。在核磁共振平台上的实验表明，该方法在幅度阻尼噪声下，无论并行还是时序拉姆齐测量均可实现接近最优的精度。数值模拟进一步验证了其可扩展性及与其他噪声抑制技术的兼容性。

量子芝诺效应是量子力学中的一种基本现象，其核心思想是通过高频投影测量抑制量子态的演化，从而“冻结”系统的动力学过程。自二十世纪九十年代首次被实验观测以来，该效应引发了广泛的理论与实验研究。其中，量子芝诺动力学作为其重要拓展，允许系统在频繁投影到多维子空间的条件下，在始终保持于“芝诺子空间”内的同时发生相干演化，从而天然具备一定的抗噪能力[图1]。除投影测量外，量子芝诺动力学还可通过高频幺正脉冲或强连续耦合实现，这显著拓展了其物理内涵，并推动了其在多种量子实验平台上的实现。

鉴于其在抑制噪声方面的优势，量子芝诺动力学在鲁棒量子精密测量中具有重要应用潜力。然而，将其真正应用于量子测量仍面临两方面挑战：一方面，量子精密测量依赖多粒子纠缠以实现高精度参数估计，但现有量子芝诺动力学研究多局限于单粒子体系；另一方面，实现量子芝诺动力学所需的额外测量或控制往往与参数编码动力学不对易，可能干扰编码过程并降低测量精度。因此，如何在保证与量子测量过程相容的同时发挥量子芝诺动力学的抗噪能力，是亟需解决的关键问题。

针对上述挑战，本文提出了一种基于量子芝诺动力学的鲁棒量子精密测量方案，并在核磁共振平台上进行了实验验证。该方案通过在参数编码阶段引入量子比特之间的强耦合来实现量子芝诺动力学，无需额外控制或频繁测量，适用于具有天然相互作用的体系，并可推广至可编程量子平台。我们进一步证明，该构造下的量子芝诺动力学与参数编码过程在本质上相容，从而在整个测量过程中既保持了抗噪能力，又不影响参数估计的理论精度。

在核磁共振平台上的多量子比特拉姆齐干涉实验表明，该方案在并行测量方式下能够在幅度阻尼噪声存在时恢复海森堡极限的精度标度，而在顺序测量设置中则通过显著延长相干时间提升了估计精度。数值模拟进一步验证了该方案的可扩展性及其与动力学去耦等控制技术相结合以抑制更一般噪声的潜力，表明其在实际量子精密测量中的可行性与优势。