中科大實(shí)現(xiàn)宇稱-時(shí)間對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器 靈敏度提升8.86倍

據(jù)中國科大官網(wǎng)，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子傳感和宇稱 - 時(shí)間(PT)對(duì)稱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順研究組首次實(shí)現(xiàn)了 PT 對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器，其靈敏度比傳統(tǒng)量子傳感器提高了 8.86 倍。該研究成果 2020 年 12 月 10 日發(fā)表在國際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

據(jù)介紹，PT 對(duì)稱理論是為了擴(kuò)展量子力學(xué)而發(fā)展起來的，但它首先在經(jīng)典物理系統(tǒng)中取得了巨大的成功，它有許多違反直覺的現(xiàn)象和引人注目的應(yīng)用，包括單向光傳輸、無線能量傳輸、PT 對(duì)稱增強(qiáng)的傳感器等。一個(gè)很自然的問題是能否在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)象和應(yīng)用，尤其是能否利用 PT 對(duì)稱來增強(qiáng)量子傳感器的靈敏度?理論研究表明這是可行的，難點(diǎn)在于構(gòu)建破缺的量子 PT 對(duì)稱系統(tǒng)。

在前期工作中，李傳鋒、唐建順研究組已經(jīng)利用量子開放系統(tǒng) [Nature Photonics 10, 642(2016)]和非厄米量子邏輯門 [Phy. Rev. Lett. 124, 230402 (2020)]構(gòu)建出了量子 PT 對(duì)稱系統(tǒng)。

在這項(xiàng)工作中，研究組構(gòu)造了一個(gè)弱測量輔助的量子 PT 對(duì)稱系統(tǒng)。利用弱測量的弱值直接測量包括實(shí)部和虛部在內(nèi)的系統(tǒng)的全部能譜，并且該系統(tǒng)可以有效地從非對(duì)稱破缺區(qū)域過渡到對(duì)稱破缺區(qū)域。基于該系統(tǒng)，研究組首次實(shí)現(xiàn)了 PT 對(duì)稱增強(qiáng)型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度的最佳條件相關(guān)的各種特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將工作點(diǎn)設(shè)置在 PT 對(duì)稱系統(tǒng)的破缺奇異點(diǎn)，則這種量子傳感器的靈敏度相較于傳統(tǒng)的量子傳感器提高了 8.86 倍。另外，通過分別檢測能量劈裂的實(shí)部和虛部，還可以得到擾動(dòng)方向的信息。

(a)宇稱 - 時(shí)間增強(qiáng)型量子傳感器工作原理圖;(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

IT之家了解到，文章的第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的俞上博士和博士研究生孟雨。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省、博士后科學(xué)基金的資助。