量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会瞬时发生相应改变。爱因斯坦称这一纠缠现象为“远距离的幽灵行动”，它是量子物理学的一个基本组成部分。量子纠缠在量子信息处理领域具有重要价值。深入理解量子纠缠在量子测量学中的角色对于设计高精度量子测量技术至关重要。
近日，精密测量院量子可积系统研究组组长管习文研究员，联合意大利科学院光学研究所博士后史海龙博士，北欧理论物理研究所杨晶研究员，在量子精密测量的理论研究方面取得系列新进展。
在传统的量子相位估计任务中，与非纠缠态相比，研究表明利用GHZ型纠缠态能够有效提高测量精度，将经典散粒噪声极限(Shot Noise Limit, SNL)提升至海森堡极限(Heisenberg Limit, HL)。
这一发现不仅让研究团队认识到纠缠是实现高精度量子测量的重要资源，同时也推动了对量子多体纠缠在度量学上理论描述的研究。然而，研究人员也发现在某些精密测量任务中，最优量子态可能为非纠缠态。因此，深入理解量子精密测量中量子优势的来源是一项迫切需要解答的理论问题，尤其是针对超越量子相位估计任务的情况。
研究团队通过在独立传感器之间引入量子多体相互作用来实现广义相位估计任务。推导出了量子费舍信息(Quantum Fisher Information, QFI)在任意动力学和初始状态下增长的普适界限。QFI作为量子计量学的核心概念，能够用于量化参数估计的精度。并通过将该界限应用于广义相位估计任务，并运用著名的Lieb-Robinson界限处理具有局域短程相互作用的情形，证明了对于非纠缠初态以及局域且有能隙的哈密顿量的非简并基态情况，QFI无法超越SNL。
这项证明阐明了初态纠缠和长程相互作用在广义相位估计任务中实现量子增强传感的重要性。并且还揭示了多体物理学、量子控制理论、量子混沌、算符增长以及量子混沌在量子计量学中的广泛联系。
此外，在《Physical Review B》发表的相关研究工作中，研究团队建立了QFI与两体纠缠之间的确切关系，从而阐明了两体纠缠在动力学编码中的重要作用。然而，在测量过程中存在的两体纠缠会显著地降低了最终的测量精度。该研究阐述了这些结论有望在实验可实现的腔磁系统中得到验证。
同时，研究团队进一步证明，在弱耦合区域内，测量精度可以达到海森堡极限。在强耦合区域，量子临界性能够有效增强测量精度。这项工作揭示了纠缠在量子精密测量任务中的作用，同时也为临界增强的量子精密测量研究提供了重要的启发。
相关研究工作分别发表在物理学领域期刊《Physical Review Letters》和该领域颇具影响的专业期刊《Physical Review B》上。
(资料来源：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院)
