为量子计量高效生成大光子数 Fock 态。图片来源：自然物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02619-5

收集高精度测量值可以促进众多领域的研究发展和技术进步。在物理学中，高精度测量可以揭示新现象并通过实验验证理论。

量子增强计量技术是新兴的方法，能够利用非经典状态收集精确测量值。虽然这些技术在理论上可以胜过经典方法，但迄今为止，可靠地操纵非经典状态以实现高精度测量已被证明是具有挑战性的。

国际量子科学院、南方科技大学和中国科学技术大学的研究人员最近推出了一种实现量子增强计量的新方法。他们提出的方法被引入到《自然物理学》杂志上，被发现可以有效地产生具有多达近 100 个光子的大型 Fock 态。

“我们最近的研究主要集中在微弱微波电磁场的高精度测量上，”该论文的合著者 Yuan Xu 告诉 Phys.org。“我们发现超导腔中的微波 Fock 态是有前途的候选者，因为它们在相空间中表现出超细干涉结构特征。

“由于 Fock 态的超精细干涉图案，可以高精度地检测到由微弱微波场引起的这些状态的微小偏移或位移。Fock 态的光子数越大，呈现的干涉条纹就越细，因此检测就越精确。

为了利用量子力学原理实现优于经典计量技术的显著计量增益，Xu 和他的同事着手设计一种方法，能够产生多达 100 个光子的福克态。他们提出的方法依赖于使用两种不同类型的光子数滤波器。

“我们采用了两种类型的光子数滤波器 （PNF），即正弦 PNF 和高斯 PNF，通过利用耦合到腔体的辅助量子比特的光子数依赖性响应来生成大的 Fock 状态，”Xu 解释说。“这些 PNF 可以根据辅助量子比特的状态选择性地过滤掉特定的光子数。”

为了实现正弦 PNF，研究人员在 Ramsey 型序列中插入了条件旋转，并将辅助量子比特投影到基态。此操作充当光栅，定期阻挡腔态的特定光子数。

相比之下，他们使用的第二个光子数滤波器称为高斯 PNF，它应用具有高斯包络的量子比特翻转脉冲。这压缩了光子数的分布，集中在以所需 Fock 状态为中心的子空间上。

具有大光子数的量子机械 Fock 态在相空间中表现出超精细的结构特征，因此在测量小位移的状态时，提供了超越经典极限的计量增强。图片来源：Yuan Xu/中国深圳国际量子研究院

“这两个 PNF 的组合有助于高效生成大型 Fock 状态，”Xu 说。“这种方法的一个关键优势是它的效率，因为它允许生成大的 Fock 态，其电路深度与光子数呈对数缩放，使其比以前需要多项式缩放的提案更有效。

“此外，这种方法具有硬件效率，对于生成具有大量光子的 Fock 态更实用，这对于实现高精度的量子增强计量至关重要。”

到目前为止，该团队的方法已被证明提供了一种可行的途径，可以在单个玻色子模式下使用大 Fock 态实现硬件高效的量子计量。值得注意的是，该方法还具有高度通用性，因此可以很容易地扩展到其他物理平台，例如机械和光学系统。

“我们引入了一种新的量子控制方法，用于生成具有大量光子的 Fock 态;并创造了 Fock 态生成和计量增益的新记录，“Xu 说。“我们成功生成了包含多达 100 个光子的大型福克态，这比之前的演示增加了一个数量级，是我们所知最大的微波福克态。”

在初步测试中，发现 Xu 和他的同事设计的实现量子增强计量的方法明显优于经典计量，实现了 14.8 dB 的计量增益，从而接近海森堡极限。

他们的工作可能很快就会使收集更精确的测量数据成为可能，从而有可能带来植根于各个领域的令人兴奋的新发现和观察。

“首先，我们的研究为量子光学和量子力学中高度非平凡的量子效应的理论预测提供了试验台，从而使基础研究受益，”Xu 说。“其次，我们的硬件高效单模量子计量技术在实际应用中表现出了巨大的潜力，包括高精度辐射测量、弱力探测和暗物质搜索。”

研究人员希望他们最近的研究工作将有助于收集越来越精确的测量数据，为各个领域的进步铺平道路。在接下来的研究中，他们计划继续推进他们的方法，专注于两个关键研究方向。

“首先，我们现在的目标是进一步提高量子系统的相干性能，并开发高精度、可扩展的量子控制技术，以确定性地生成具有更高光子数的福克态，从而实现更大的计量增益，”徐说。

“其次，我们将探索这里展示的硬件高效量子计量方案的重要应用，特别是在检测弱电磁场和寻找暗物质等领域。”

更多信息：邓晓伟等人，具有大福克态的量子增强计量学，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02619-5

期刊信息： Nature Physics