近日，在俞大鹏院士的带领下，深圳国际量子研究院超导量子计算实验室的徐源研究员课题组，联合中国科学技术大学的邹长铃教授等研究团队，在基于超导量子线路系统的量子精密测量领域取得了重要突破性实验进展。联合研究团队攻坚克难，在高品质因子的超导微波谐振腔中成功制备了高达100个光子的福克态，并在此基础上实现了接近海森堡极限的量子增强精密测量技术，展示了大光子福克态在高精度量子探测中的优势，为高精度量子测量技术的发展开辟了新道路。相关研究成果以“Quantum-enhanced metrology with large Fock states”为题于2024年8月20日在线发表在国际顶尖学术期刊Nature Physics上。
自远古至今，人类不断地探索和理解物理世界，其中精密测量起着至关重要的作用。可以说，整个现代自然科学是随着测量精度的不断提升而逐渐发展起来的。更高的测量精度一直是人类不断探索的目标。而精密测量的发展也为我们的科学研究、工程技术和日常生活等领域提供了强有力的支撑。然而，经典的测量方法往往受限于标准量子极限的制约，其测量精度很难进一步提升。而量子力学提供了超越这一极限的潜力，其测量精度原则上可以达到量子力学框架下的最高精度极限，也就是海森堡极限。相比于标准量子极限，其测量精度增益正比于系统粒子数的平方根。然而，在实际的应用中，想要达到海森堡极限，如何有效地操控和测量大规模的非经典量子态仍然是一项重要的实验挑战。
图1. a光子数滤波器量子线路图；b量子态制备过程示例；c 大光子数福克态表征结果
为了攻克这些难题，联合研究团队巧妙利用单个简谐振子或玻色模式中的大光子数福克态，成功实现了硬件高效的、超越标准量子极限的高精度探测。在该研究工作中，研究人员在超导量子比特的辅助下开发出一种玻色模式光子数滤波器的量子控制方法，在高品质因子的超导微波谐振腔中高效制备出高达100个光子的福克态，远超过之前福克态的光子数，刷新了该领域的世界纪录。在此基础上，研究人员充分利用这些非经典福克态的量子特性，实现对微波电磁场的微小位移或相移变化的高灵敏度探测，测量精度增益超越标准量子极限高达14.8dB，逼近海森堡极限，达到了达到了国际先进水平。
图2. 微波光场位移(a,b)及相位(c,d)的量子精密测量示意图及实验结果
在该研究工作中，量子研究院助理研究员邓晓玮、访问学生李赛和中国科学技术大学博士生陈子杰为共同第一作者。量子研究院徐源研究员等和中国科学技术大学邹长铃教授为共同通讯作者，南科大俞大鹏院士为论文最后通讯作者。其他合作者包括深圳量子研究院刘松副研究员，郑攀助理研究员，以及北京量子信息科学研究院的于海峰研究员等。深圳国际量子研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创委、国家自然科学基金委，合肥国家实验室等单位的大力支持。