澳大利亚国立大学的研究团队展示了一种利用量子态的多个副本之间产生纠缠的集体测量，以实现对微观物体更准确测量的方法。他们在超导、离子阱和光子系统上实现了这种最佳测量，为未来的量子增强传感网络提供了一个指示。该成果于1月12日发表在《自然·物理学》杂志上。
检查像汽车这样的大型日常物体的各种单独属性非常简单：汽车具有明确定义的位置、颜色和速度。然而，当试图测量像光子这样的微观量子物体时，情况便会有所不同。这是因为量子物体的某些属性是相互关联的，测量一个属性可能会干扰另一个属性。例如，测量电子的位置会影响其动量，反之亦然。此类属性称为共轭属性。这是海森堡著名的不确定性原理的直接体现——不可能以任意精度同时测量量子物体的两个共轭特性。通过将两个相同的量子物体纠缠在一起并一起测量，可以比单独测量它们更精确地测量它们的属性。为了达到多参数量子计量学和量子信息处理任务的极限，需要在量子态的多个副本之间产生纠缠的集体测量。
在这项工作中，研究人员在超导和离子阱平台上设计并实现了理论上最优的集体测量电路。这些器件可以很容易地重新编程，他们以比单个量子比特上可分离测量所允许的更高的精度来估计量子比特关于布洛赫球轴的旋转。这种方法允许他们研究一些有趣的物理现象：（1）证明了最优的单拷贝和双拷贝集体测量都达到了理论极限。理论上，可以纠缠和测量三个或更多的量子系统以获得更好的精度，但在这种情况下，所获实验结果与理论不符。尽管如此，作者相信未来的容错量子计算将能够克服这些限制。（2）研究集体测量与不确定性原理的联系。使用双拷贝集体测量，他们在实验上突破了基于一个已知但有限制的不确定性关系的计量界线。（3）研究人员在 19 台不同的量子计算机上测试了他们的理论，跨越三个不同的平台：超导、离子阱和光量子计算机。这些世界领先的设备遍布欧洲和美洲，并且可以通过云访问，让全球的研究人员能够连接起来并开展重要的研究。
根据新加坡最大研究所A*STAR 材料研究与工程研究所（IMRE）首席量子科学家 Ping Koy Lam 教授的说法，这项工作的主要优势之一是在嘈杂的场景中仍然可以观察到量子增强。“对于实际应用，例如生物医学测量，即使信号不可避免地嵌入嘈杂的现实环境中，我们也能看到优势，这一点很重要，”他说。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01875-7
报道链接：
https://science.anu.edu.au/news-events/news/new-techniques-accurate-measurements-tiny-objects