量子科學(xué)與技術(shù)是二十一世紀(jì)的重要研究領(lǐng)域，引領(lǐng)著物質(zhì)科學(xué)和信息技術(shù)的巨大變革。量子傳感與精密測量作為量子信息領(lǐng)域的重點研究方向之一，在現(xiàn)實世界有著極富前景的應(yīng)用。如何利用量子資源突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限測量精度是這一研究方向的關(guān)鍵科學(xué)問題。

據(jù)了解，基于多體量子糾纏的量子傳感能突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，實現(xiàn)海森堡極限精度的測量，然而在實驗上制備多粒子糾纏態(tài)常常面臨著較大的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展出能達(dá)到海森堡極限測量精度且在實驗上易于實現(xiàn)的量子傳感新方法，具有重要的意義。

近日，華中科大物理學(xué)院量子傳感與量子信息實驗室蔡建明教授團隊提出一種量子臨界動力學(xué)增強的量子傳感新方法，該方法為實現(xiàn)基于量子臨界現(xiàn)象的量子傳感，突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限并達(dá)到海森堡極限測量精度，提供了一種新的途徑。

在量子臨界點附近，體系的序參量通常具有發(fā)散的極化率，相鄰量子基態(tài)的可區(qū)分性也被明顯增強，可利用量子臨界效應(yīng)實現(xiàn)海森堡極限精度的測量。然而，該方法面臨極大挑戰(zhàn)：臨界點附近的量子基態(tài)高度復(fù)雜且難以直接制備，量子絕熱演化方案需要耗費大量時間。

針對上述困難，研究團隊通過設(shè)計量子體系哈密頓量特定的對易條件，進(jìn)而保證體系呈現(xiàn)出來的量子臨界動力學(xué)效應(yīng)不再依賴于量子基態(tài)。

研究結(jié)果表明，當(dāng)哈密頓量處于量子臨界點附近時，體系從任意的量子初態(tài)開始演化，都能夠展示出對待測物理參數(shù)高度敏感的量子臨界動力學(xué)行為。從而，針對待測物理參數(shù)進(jìn)行測量的量子費舍信息（Quantum Fisher Information）在臨界點附近發(fā)散，相應(yīng)的測量精度可以被顯著地提高。

除此之外，研究團隊以量子拉比模型（Quantum Rabi Model）為例，詳細(xì)闡明了這一新型的量子臨界傳感方法的基本思想。該方法可以在離子阱、冷原子以及超導(dǎo)量子比特等多種量子體系中加以實現(xiàn)，而且可以推廣到其他量子模型，比如光參量振蕩器、Lipkin-Meshkov-Glick量子多體系統(tǒng)以及團隊在前期工作中發(fā)展的非厄米量子傳感探針等。

以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。

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