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(diǎn)研究方向之一，在現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的測量，然而在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上易于實(shí)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(shí)驗(yàn)室蔡建明教授團(tuán)隊(duì)提出一種量子臨界動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)的量子傳感新方法，該方法為實(shí)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(diǎn)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(qiáng)，可利用量子臨界效應(yīng)實(shí)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(diǎn)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(fèi)大量時(shí)間。

圖片來源：華中科大物理學(xué)院

針對上述困難，研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)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(dòng)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(diǎn)附近時(shí)，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(dòng)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(fèi)舍信息（Quantum Fisher Information）在臨界點(diǎn)附近發(fā)散，相應(yīng)的測量精度可以被顯著地提高。

圖片來源：華中科大物理學(xué)院

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)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。

該研究成果《Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing》于2021年1月6日在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表，物理學(xué)院2017級(jí)博士生儲(chǔ)耀明為文章第一作者，2019級(jí)博士生余柏奕對本文有重要貢獻(xiàn)，蔡建明教授、張少良副教授為論文的通訊作者。（C114通信網(wǎng) 余予）