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基于线性与非线性干涉仪的量子精密测量研究进展

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物理学报 2022年第13期71卷 69-88页

作者：孙思彤丁应星刘伍明中国科学院物理研究所北京100190

量子精密测量根据量子力学的基本原理,利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量.随着实验条件和技术的成熟,如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯... 详细信息

量子精密测量根据量子力学的基本原理,利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量.随着实验条件和技术的成熟,如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯极限成为研究的前沿课题.本文阐述了利用线性干涉仪(包括原子/光子干涉仪)与非线性干涉仪调用不同阶段的量子资源在测量过程中提高参数评估精度的几种方法,通过向干涉仪中输入非经典态来实现高精度测量,如压缩态、双数态、NOON态等,还介绍了为直接观测量子态而发展出的弱测量及其在非厄米系统中的应用和为消除参数之间精度制衡而提出的多参数测量.最后,对几种测量方法进行了分析比较,并展望了量子精密测量的发展前景.

关键词：量子精密测量干涉仪海森伯极限标准量子极限非厄米系统

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光量子精密测量研究进展(特邀)

中国激光 2024年第1期51卷 354-368页

作者：王犇张利剑南京大学现代工程与应用科学学院江苏南京210023 智能光传感与调控技术教育部重点实验室江苏南京210023 人工微结构科学与技术协同创新中心江苏南京210023 南京大学固体微结构物理国家重点实验室江苏南京210023

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一,近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数,利用量子资源进行量子增强测量,以提升参数测量精度。与其他物理系统相比,光子... 详细信息

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一,近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数,利用量子资源进行量子增强测量,以提升参数测量精度。与其他物理系统相比,光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性,因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理,给出参数估计的量子极限精度下界。同时,介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。

关键词：量子光学量子精密测量参数估计海森堡极限传感

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量子精密测量专题·编者按

中国科学：物理学、力学、天文学 2021年第7期51卷 1-2页

作者：刘伍明中国科学院物理研究所

量子精密测量是利用磁、光与原子的相互作用,打破传统方法中的散粒噪声限制,利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度,达到海森堡精度极限.2019年代表精密测量最高水平的7个基本物理量的计量基准已经全部实现量子化.《中国科学:... 详细信息

量子精密测量是利用磁、光与原子的相互作用,打破传统方法中的散粒噪声限制,利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度,达到海森堡精度极限.2019年代表精密测量最高水平的7个基本物理量的计量基准已经全部实现量子化.《中国科学:物理学力学天文学》特别组织“量子精密测量专题”,邀请了国内外活跃在量子精密测量领域的科研工作者撰写了8篇相关论文,其中7篇为综述论文,1篇为研究论文,反映了国内外关于量子精密测量相关研究的现状以及最新研究进展.

关键词：基本物理量散粒噪声海森堡量子化综述论文计量基准量子精密测量经典方法

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基于弱值的量子精密测量与量子层析研究进展

激光与光电子学进展 2021年第10期58卷 41-61页

作者：胥亮张利剑固体微结构国家实验室智能光传感与调控技术教育部重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京大学现代工程与应用科学学院江苏南京210093

为了描述对前、后选择的量子系统进行弱测量的测量结果,Aharonov、Albert和Vaidman在1988年提出了弱值的概念。可观测量的弱值在取值上可以突破可观测量的最大本征值,甚至可以取复数,为弱值在量子力学基本原理和发展新型量子技术的研究... 详细信息

为了描述对前、后选择的量子系统进行弱测量的测量结果,Aharonov、Albert和Vaidman在1988年提出了弱值的概念。可观测量的弱值在取值上可以突破可观测量的最大本征值,甚至可以取复数,为弱值在量子力学基本原理和发展新型量子技术的研究中提供了丰富的物理内涵。本文主要回顾了弱值在量子精密测量和量子层析中应用的进展情况。弱值在量子精密测量中的应用被称为弱值放大,弱值放大可以实现对微小物理量的放大测量,因而在精密测量领域获得了广泛关注。由于信号的放大伴随着后选择成功概率的降低,因此弱值放大技术的.测量精度是否优于传统的测量方式一直是一个有争论的话题。本文先回顾了弱值放大和传统测量方式在测量精度方面的比较,阐述了弱值放大方案在特定条件下的精度优势;之后回顾了经过改进的弱值放大技术的最新进展。弱值在量子层析中的应用被称为直接量子层析,“直接”指的是该层析方案能够通过测量复数的弱值实现对量子态波函数概率幅的直接测量。本文还回顾了直接量子层析技术被推广并被应用到各种形式的量子态、量子过程、量子测量表征的理论和实验方案,分析了直接量子层析技术的准确度、精度,并回顾了提高直接层析技术效率的最新进展。最后,本文总结了基于弱值的这两项技术的发展状况,并提出了未来可能的发展方向。

关键词：量子光学弱测量弱值量子精密测量 Fisher信息量子层析

原子自旋压缩在量子精密测量中的应用研究进展

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 1-12页

作者：王恩龙王国超朱凌晓卞进田王玺孔辉国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室安徽合肥230037 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 国防科技大学智能科学学院湖南长沙410073

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用,减小原子自旋分量的不确定度,使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限,有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。阐... 详细信息

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用,减小原子自旋分量的不确定度,使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限,有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。阐述了原子自旋压缩的原理和内涵,分析了在中性原子系综内通过光与原子相互作用产生自旋压缩的方法,介绍了原子自旋压缩在量子精密测量领域的研究进展和取得的主要成果,并总结展望了其未来发展的方向。

关键词：量子光学量子精密测量自旋压缩标准量子极限原子钟原子干涉仪

单自旋量子精密测量——基于钻石量子传感器的微观磁共振

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中国科学技术大学学报 2019年第11期49卷 861-872页

作者：程春阳张琪石发展中国科学技术大学近代物理系中国科学院微观磁共振重点实验室合肥微尺度物质科学国家研究中心

量子精密测量作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,正成为各学科发展的重要推动力.此处所谓的单自旋量子精密测量一层含义是指以金刚石中的一类点缺陷——氮-空位色心单自旋为量子信息载体,通过光探测磁共振方式对其进行检测;... 详细信息

量子精密测量作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,正成为各学科发展的重要推动力.此处所谓的单自旋量子精密测量一层含义是指以金刚石中的一类点缺陷——氮-空位色心单自旋为量子信息载体,通过光探测磁共振方式对其进行检测;另一层面是指通过微波射频的操控将氮-空位色心单自旋制备成量子传感器,实现高灵敏度高空间分辨率的微观磁共振,甚至可以达到对单电子/单核自旋检测的水平.这一技术用量子传感代替电学探测模式,将传统磁共振的检测能力在空间上从毫米推进到纳米尺度,分子数从数十亿推进到单个分子水平.基于氮-空位色心的量子精密测量技术仍处于快速发展阶段,其正在被应用于二维材料磁性研究、超导、单分子结构、单细胞磁检测等方向,有望为物理、化学、生命科学甚至医学等领域的发展提供重要支撑.本文首先介绍单自旋量子精密测量的基本概念和原理,接着着重介绍本课题组近年基于氮-空位色心的量子精密测量相关实验研究,包括单分子顺磁共振、纳米核磁共振、基础物理等方面的相关进展及未来研究展望.

关键词：量子精密测量氮-空位色心量子传感器单自旋微观磁共振

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光量子精密测量研究进展

中国激光 2024年

作者：王犇张利剑南京大学固体微结构物理国家重点实验室智能光传感与调控技术教育部重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京大学现代工程与应用科学学院

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，一直是近些年来量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其它物理系统相比，... 详细信息

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，一直是近些年来量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其它物理系统相比，光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性，因而常被作为量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。本论文介绍了量子精密测量的一般性原理，给出参数估计的量子极限精度下界。同时，本论文介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相对应存在的挑战。

关键词：量子光学量子精密测量参数估计海森堡极限传感

不同噪声环境中量子精密测量及其量子模拟实验检验的研究进展

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北京师范大学学报（自然科学版） 2023年第6期59卷 869-877页

作者：艾清王洋洋邱静北京师范大学物理学系北京100875 陕西省可控中子源工程技术研究中心西京学院电子信息学院陕西西安710123 陕西省可控中子源应用技术国际联合研究中心西京学院电子信息学院陕西西安710123 西南技术物理研究所四川成都610041

量子精密测量利用量子纠缠和量子相干性提高测量精度.本文简要回顾了在各种噪声环境中的量子精密测量方案,包括非马尔科夫噪声、关联噪声、双光子噪声环境等.另外,量子信息的蓬勃发展让我们能够设计和利用相应的量子模拟实验,从而检验... 详细信息

量子精密测量利用量子纠缠和量子相干性提高测量精度.本文简要回顾了在各种噪声环境中的量子精密测量方案,包括非马尔科夫噪声、关联噪声、双光子噪声环境等.另外,量子信息的蓬勃发展让我们能够设计和利用相应的量子模拟实验,从而检验各种量子精密测量理论方案的实验可行性.

关键词：量子精密测量开放量子系统非马尔科夫量子芝诺效应量子相变量子模拟

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基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

量子电子学报 2024年第5期41卷 701-712页

作者：杜艺杰吕子瑶胡伟东何军刘志慧董涛金世超航天恒星科技有限公司天地一体化信息技术国家重点实验室北京100095 北京理工大学集成电路与电子学院北京100081 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精... 详细信息

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段,GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值,本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展,综述了近年来原子天线技术的发展趋势,概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理,并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

关键词：量子信息量子精密测量里德堡原子原子天线低频电磁场