4月27日，蔡建明教授团队在量子传感基础理论方面的最新成果以“Strong quantum metrological limit from many-body physics”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
量子传感旨在利用量子力学规律，发展超越经典测量方法的超高精度的精密测量方法与技术。基于量子纠缠态、量子压缩态、量子临界性等量子物理资源，量子增强传感的优势突出表现于测量精度可以达到海森堡极限（决定于量子力学中著名的海森堡不确定性原理）。相较于经典测量方法所能达到的标准量子极限测量精度，海森堡极限在测量精度随探针数目（记为N）增大的标度关系上呈现出√N的增强。发展多体增强（N>>1）的量子传感方法，有效地接近或实现海森堡极限测量精度，一直是量子传感领域孜孜以求的重要科学目标。
然而，作为实现量子增强传感物理基础的多体量子纠缠态并非“免费”的量子物理资源。大规模多体量子纠缠态的制备时间一般随着探针数目的增加而增大，这一挑战提出了以下量子增强传感的基础理论问题：多体量子纠缠态的制备时间，是否会使突破所谓的标准量子极限甚至是实现海森堡极限受到根本性的约束？如果答案是肯定的，用于实现多体增强量子传感的量子物理系统需要满足哪些基本的物理条件？系统地解决这些问题，将为阐明量子增强传感的优势，进一步发展多体增强的量子传感打下坚实的理论基础。
量子传感测量精度的理论极限由量子费舍信息这一基本物理量决定，量子费舍信息越大，意味着量子物理系统对待测物理参数的响应越灵敏。该团队研究发现多体量子物理系统中量子费舍信息的增长速度决定于著名的Lieb-Robinson界（类比于爱因斯坦相对论中的光锥），对大规模多体量子纠缠态的制备时间给出了基本限制，并在此基础上建立了更强的多体量子传感测量精度理论极限。这一研究同时揭示了具有长程相互作用以及更高空间维度的多体量子物理体系更有利于实现量子增强传感的优势，从而为设计多体增强量子传感系统提供了原理上的指引。值得指出的是，该研究工作的结论适用于目前大部分多体量子传感实验平台，包括囚禁离子晶体、原子阵列、玻色-爱因斯坦凝聚体、腔量子电动力学系统等。
图1. 量子费舍信息的增长与多体量子物理系统中量子信息传播的有效“光锥”
研究团队首先揭示了多体量子传感资源态的制备过程中，量子费舍信息增长与多体量子格点系统动力学演化的物理联系（图1）。在量子力学海森堡表象下，多体量子动力学的演化通常表现为局域算符在系统格点上的弥漫增长（图1中红色球型区域随时间逐渐变大），著名的Lieb-Robinson界决定了这一增长速度的上界，等效给出了量子信息传播的有效“光锥”，RL(t)。具体地，演化特定时间后局域格点算符的半径大致由Lieb-Robinson光锥给出，可以被想象为系统格点上半径为RL(t)的球体。研究团队证明了，仅当不同粒子对应的局域格点算符演化增大至触碰彼此，才有可能在多体量子传感资源态的制备过程中贡献有效的量子费舍信息。基于这一思想，研究团队建立了量子费舍信息增长的速度上界：在有限的时间内，可实现的最大量子费舍信息由多体量子物理系统的几何特征以及Lieb-Robinson光锥的有效形式决定。
图2. 多体增强量子传感测量精度的强理论极限
进一步地，将大规模多体量子纠缠态的制备时间考虑在内，研究团队提出了多体增强量子传感测量精度的强理论极限。相关结果如图2所示，其中△刻画了多体增强量子传感相对于经典测量方法的提升，△=0对应于标准量子极限（SQL），△=1对应于海森堡极限。图2清晰地展示了多体增强量子传感的优势（△）与多体量子传感物理系统的相互作用形式（α，代表相互作用强度随距离r的衰减关系为1/rα）以及空间维度（D）之间的基本关系。可以看出，相互作用越长程，空间维度越大，量子费舍信息的增长速度越快，量子增强传感的优势越明显，越有利于实现海森堡极限测量精度。
这一工作为突破标准量子极限并达到海森堡极限测量精度，实现量子增强传感的优势提供了重要的理论基础，给出了指导多体量子传感物理系统设计与构建的基本原理；提出的量子费舍信息增长这一概念为研究包括量子临界性、多体局域化、多量子相干、量子混沌等在内的多体量子物理现象提供了新的角度，建立起了量子传感与多体量子物理之间的桥梁。
华中科技大学物理学院博士后储耀明（物理学院2013级本科生，2017级直博生）与博士生李香北（物理学院2016级本科生，2020级直博生）为该工作的主要作者，蔡建明教授为通讯作者。此项研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划以及中国博士后科学基金的资助，以及武汉国家脉冲强磁场科学中心、华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室开放课题的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.170801
