利用大型Fock态实现量子增强计量的通用方法

收集高精度测量数据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一种新兴方法，能够利用非经典状态收集精确测量数据。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仍是一项挑战。

国际量子学院、南方科技大学和中国科学技术大学的研究人员最近介绍了一种实现量子增强计量学的新方法。他们提出的方法发表在《自然物理学》上，发现能够有效产生多达近100个光子的大型福克态。

“我们最近的研究主要集中在对弱微波电磁场的高精度测量上，”论文合著者袁旭告诉Phys.org。“我们发现超导腔中的微波福克态是有希望的候选者，因为它们在相空间中表现出超精细的干涉结构特征。

“由于福克态具有极精细的干涉条纹，因此，在微弱的微波场作用下，这些态的微小偏移或位移都可以被高精度地检测到。福克态的光子数越多，干涉条纹就越精细，因此检测就越精确。”

为了实现比使用量子力学原理的传统计量技术更高的计量增益，徐和他的同事着手设计一种方法，能够产生最多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)——正弦PNF和高斯PNF——通过利用与腔体耦合的辅助量子比特的光子数相关响应来产生较大的Fock状态，”徐解释说。“这些PNF可以根据辅助量子比特的状态选择性地滤除特定的光子数。”

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射到基态。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。

“这两种PNF的结合有利于高效生成大型Fock态，”徐说。“这种方法的一个关键优势是效率，因为它可以生成大型Fock态，其电路深度与光子数成对数比例，这比以前需要多项式比例缩放的方案更有效率。

“此外，该方法硬件效率高，更适合用大量光子产生福克态，这对于实现高精度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是一种可行的途径，可以在单一玻色子模式下使用大型Fock态实现硬件高效的量子计量。值得注意的是，该方法还具有高度的通用性，因此可以轻松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，可以生成具有大量光子的福克态;并创下了福克态生成和计量增益的新纪录，”徐说。“我们成功生成了包含多达100个光子的大型福克态，这比之前的演示提高了一个数量级，是我们所知的最大的微波福克态。”

在初步测试中，徐建军和他的同事设计的实现量子增强计量的方法被发现明显优于传统计量，实现了14.8dB的计量增益，从而接近海森堡极限。

他们的工作很快就能收集到更精确的测量数据，有可能带来各个领域的令人兴奋的新发现和观察。

徐教授表示：“首先，我们的研究为量子光学和量子力学中极为重要的量子效应的理论预测提供了试验平台，有益于基础研究。其次，我们的硬件高效单模量子计量技术在实际应用中展现出巨大潜力，包括高精度辐射测量、弱力检测和暗物质搜索。”

研究人员希望，他们最近的研究成果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，他们计划继续改进他们的方法，重点关注两个关键的研究方向。

徐建军表示：“首先，我们现在的目标是进一步提高量子系统的相干性性能，开发高精度、可扩展的量子控制技术，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。”

“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，特别是在弱电磁场探测和暗物质搜索等领域。”