1月6日，物理學院量子傳感與量子信息實驗室蔡建明教授團隊以“Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing”為題在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發(fā)表研究論文，提出一種量子臨界動力學增強的量子傳感新方法。物理學院2017級博士生儲耀明為文章第一作者，2019級博士生余柏奕對本文有重要貢獻，蔡建明教授、張少良副教授為論文的通訊作者。 ,d+fDmm3  
keW~ NM  
發(fā)展基于量子資源的量子傳感與精密測量在現(xiàn)實世界有著極富前景的應用，比如精確計時、引力波探測、高分辨率檢測等，如何利用量子資源突破標準量子極限測量精度則是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵科學問題。基于多體量子糾纏的量子傳感能突破標準量子極限（測量精度正比于1/sqrt(N), N為用于測量的粒子數(shù)，如光子、原子、自旋的數(shù)目），實現(xiàn)海森堡極限精度的測量（測量精度正比于1/N，遠高于經(jīng)典測量方法），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)。因而，發(fā)展能達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，便具有重要的意義。 -4rDbDsr  
@$"J|s3M  
在量子臨界點附近，體系的序參量通常具有發(fā)散的極化率，相鄰量子基態(tài)的可區(qū)分性也被明顯增強，可利用量子臨界效應實現(xiàn)海森堡極限精度的測量。然而，臨界點附近的量子基態(tài)高度復雜且難以直接制備，量子絕熱演化方案需要耗費大量時間，因此這一方法依然面臨極大的挑戰(zhàn)。 .o1^O
h  
Ab%;Z5$fr  
5AS[\CB4  
針對上述困難，物理學院蔡建明教授團隊通過設(shè)計量子體系哈密頓量特定的對易條件，發(fā)現(xiàn)一類相變在整個能譜發(fā)生的量子體系，進而保證體系呈現(xiàn)出來的量子臨界動力學效應不再依賴于量子基態(tài)。研究表明，當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行為。從而，針對待測物理參數(shù)進行測量的量子費舍信息（Quantum Fisher Information）在臨界點附近發(fā)散，相應的測量精度可以被顯著地提高。 r)9Dy,  
iI@jZVk  
N..j{FE  
研究團隊以量子拉比模型（Quantum Rabi Model）為例，詳細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[Phys. Rev. Lett. 124, 020501 (2020)]等。 p^nL&yIW,%  
iqQUtE]E_  
這一工作為實現(xiàn)基于量子臨界現(xiàn)象的量子傳感，突破標準量子極限并達到海森堡極限測量精度，提供了一種新的途徑。以上研究工作得到國家自然科學基金的資助。 aV o;~h~  
l.\r
e"Q  
文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010502 )D'^3)FF  
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.020501