研究课题

量子精密测量是一种利用量子力学的原理来进行测量的技术，它能够实现超越传统测量方法的精度。这种测量技术主要依赖于量子态的特性，如量子叠加和量子纠缠，来提高测量的灵敏度和精确度。

在量子精密测量中，不确定性原理是一个关键概念。它表明，对于某些不对易的成对物理量（如位置和动量），它们的不确定性有一个下限。量子精密测量的目标是逼近这个极限，从而实现更高的测量精度。宁波大学张成杰教授课题组与中国科学技术大学量子信息重点实验室郭光灿院士团队合作在非厄密不确定性原理研究方面取得重要进展。

在量子物理学的探索旅程中，不确定性原理是一块基石，尽管它已被多次实验验证，但这些实验主要关注了厄密算符，而非厄密算符，尤其是非幺正算符，它们的不确定性原理仍然是一个未被充分探索的领域。这些算符因其复杂性，在实验中难以直接测量。为了填补这一空白，张成杰教授课题组决定探索一般性非厄密算符的不确定性原理。他们选择了实数和复数情况下的非厄密算符作为研究对象，并成功验证了一般性非厄密算符的不确定性原理。

在实验设计上，他们巧妙地利用了光子的损失来实现非厄密操作，仿佛在量子世界中创造了一个“能量漏斗”，这为构造更具有一般性的非厄密算符提供了新的途径。为了验证他们的理论预测，研究团队搭建了宣布式单光子源和Sagnac环形干涉仪等先进设备，这些设备帮助他们成功地在实验上验证了非厄密算符的不确定性原理。这项工作不仅加深了我们对非厄密算符不确定性原理的理解，而且为量子测量和量子信息处理等领域提供了宝贵的实验数据和理论支持，它就像是在量子科学的迷宫中找到了一条新的通道，为我们探索未知的量子世界提供了新的视角和工具。

相关研究以“Experimental Investigation of Uncertainty Relations for Non-Hermitian Operators （非厄密算符不确定关系的实验研究）”为题发表在物理学领域权威期刊Physical Review Letters（物理评论快报）上。该文章宁波大学物理科学与技术学院为第一完成单位，宁波大学物理科学与技术学院硕士研究生赵鑫智为论文第一作者，宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授、中国科学技术大学量子信息重点实验室许金时教授和李传锋教授为论文共同通讯作者。

非厄密量子计量学是量子估计和非厄密物理学交叉领域的新兴领域，有望彻底改变精密测量。张成杰教授课题组全面探讨了量子领域中非厄密量子参数估计问题，特别关注实现海森堡标度。提出了适用于非厄密系统的量子费舍尔信息（QFI）和最优测量条件，并实验研究了非厄密量子参数估计问题，估计精度达到海森堡标度。

该论文引入了适用于一般非厄密哈密顿量的QFI的简洁表达式，使得可以分析非厄密系统中的估计精度。这就带来一个令人兴奋的结果：在非厄密系统中，是有可能达到估计参数的标准差与时间成反比的海森堡极限，也就是说随着时间的推移，测量精度可以不断提高。论文中不仅提出了参数估计精度的理论，还进一步推导出了在什么条件下进行测量可以最大程度优化这种精度，展示了量子Cramér-Rao界限是可以实现的。这就像是在量子世界中找到了一个“最佳观测点”，让研究者能够获得最准确的信息。

课题组成员设计了一个巧妙的实验，其中涉及到两个特殊的哈密顿量，它们共同推动了一个非常规的量子演化过程。这个过程既不是我们常见的幺正演化，也不遵循对称性规则，但正是这种非对称性，让实验变得异常有趣。在这个实验中，该研究团队展示了两种情况：一种是哈密顿量与参数整体相乘，另一种是哈密顿量与参数非整体相乘。他们发现，无论是哪种情况，只要采用一种称为“直接串行方案”的测量方法，都可以实现一个非常精确的测量，其精度可以达到估计参数的标准差与时间成反比的海森堡极限。

这项研究不仅仅是一个实验上的成功，它还具有深远的理论意义。论文中提出的理论是普适的，它不受哈密顿量对称性的限制，这意味着无论哈密顿量如何，都有可能利用这种方法来提高测量精度。这项工作不仅加深了目前研究对非厄密系统的理解，还为量子计量学开辟了全新的道路。它提供了一种新的可能性：即使是在非对称、非幺正的量子世界中，也能够实现海森堡极限的测量精度。

相关研究以“Toward Heisenberg scaling in non-Hermitian metrology at the quantum regime （迈向量子领域非厄密计量学中的海森堡标度）”为题，发表在国际著名期刊Science Advances（科学进展）上。宁波大学物理科学与技术学院硕士研究生余星磊为该论文第一作者，香港中文大学机械与自动化工程系袁海东教授、宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授为论文共同通讯作者，宁波大学物理科学与技术学院为第一完成单位。

量子纠缠检测与估计问题是量子信息理论基本问题之一。量子纠缠作为区别于经典物理的显著特征，其在量子通信、量子计算、量子精密测量等诸多领域都发挥着重要的作用。量子纠缠研究的主要方向是纠缠的检测与度量估计，为了充分利用这一庞大的量子资源就必须发展优于现阶段关于量子纠缠检测的办法。现阶段常用的纠缠检测方法利用”基于保真度的纠缠目击者“作为纠缠检测的一种手段，但该方法多有赖于”高保真度”量子态这一条件。

为了优化现阶段这类需高保真度的纠缠目击检测方法，张成杰教授课题组与Otfried Gühne教授课题组合作提出了一种基于算符施密特分解的方法来分析量子纠缠。施密特分解是分析纯双粒子量子态时的常用工具，但它也可以应用于双体可观测量。该方法引出了新颖的纠缠目击者，其性能优于基于保真度的目击者，并且在分析多粒子纠缠时能容忍显著更多的噪声。该方法计算简单，还可以用于量化纠缠或其维度。

描述纠缠态是量子信息科学的核心。用于检测纠缠态的特殊可观测量，称为纠缠目击者，是完成这项任务的常用工具。通常，这些纠缠目击者的构建依赖于以下观察结果：与某个目标纠缠态具有高保真度的量子态也是纠缠的。在左表中，基于保真度的纠缠目击者需要可见度pfid ≥ 0.620才能检测到全局纠缠。而基于算符空间中施密特分解（OSD）的纠缠目击者所需的可见度降低到pOSD ≥ 0.556，这证明了OSD目击者优于基于保真度的构建。OSD目击者也可应用于各种其他多量子比特态。这包括3量子比特的均匀超图态和4量子比特的W态、Dicke态以及单态。

当然，OSD目击者也可应用于各种其他多量子比特态。这包括3量子比特的均匀超图态和4量子比特的W态、Dicke态以及单态。对于所有这些态，它们的噪声鲁棒性都能被显著提高。

相关研究以“Analyzing Quantum Entanglement with the Schmidt Decomposition in Operator Space（用算符空间中施密特分解分析量子纠缠）”为题，发表在国际著名期刊Physical Review Letters（物理评论快报）上。宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授和锡根大学Sophia Denker为论文共同第一作者，宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授和锡根大学Otfried Gühne教授为论文共同通讯作者。宁波大学物理科学与技术学院为第一完成单位。

在量子科技飞速发展的今天，量子信息处理和量子计量学成为了科研领域的前沿热点。一项由宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授团队的研究，近期在量子Fisher信息（QFI）与量子相干性之间的动态关系上取得了突破性进展。该研究不仅在理论上建立了两者之间的分解关系，更通过实验进行了验证，为量子参数估计和量子传感领域带来了全新的视角和潜在应用。

量子参数估计是众多科学与技术领域中的核心课题，其目标是高精度地确定量子系统的未知参数。QFI作为量子参数估计的主要工具，能够衡量量子态对参数变化的敏感度，其倒数即为量子Cramér-Rao下界（QCRB），定义了参数估计精度的理论极限。而量子相干性作为量子信息处理的关键资源，对于提升量子计量任务的性能起着至关重要的作用。然而，尽管两者在量子计量学中都扮演着重要角色，它们之间的精确关系却一直未被充分探究。

本工作，从理论上提出了量子费Fisher信息与量子相干性之间的分解定律。对于纯态情况，该定律表明，在幺正变换下，输出态的QFI受到输入纯态的最大QFI和其相干性的乘积的限制。基于这一理论，研究团队进一步建立了一个不依赖于最终态信息的估计参数方差的下界，这一成果为量子参数估计提供了新的理论基础。

为了验证这一理论，研究团队精心设计并开展了一系列实验。在实验上实现了单比特(qubit)和三能级系统(qutrit)下QFI与量子相干性之间的关系。实验结果与理论预测高度一致，有力地证实了QFI与量子相干性之间的分解定律。这些实验不仅展示了量子相干性作为量子计量学中提升估计精度的资源潜力，还揭示了即使在无法直接测量最终态的情况下，仅通过分析初始态的量子相干性，也能够对参数估计的精度进行有效的推断。实验结果表明，在单量子比特情况下，通过选择特定的初始态和测量算符，可以实现对参数的最优估计。在qutrit情况下，实验团队验证了分解定律的普适性，在理论上展示了在混态情况下QFI与初态相干性之间所满足的动力学关系。

这项研究的成果不仅在理论上丰富了量子计量学的内涵，更为实际应用提供了新的思路。通过优化初始态的量子相干性和量子通道的性质，可以显著提高量子参数估计的精度，这对于量子传感、量子通信以及量子计算等领域都具有重要的意义。未来，研究团队计划将这一理论拓展到更高维度的量子系统，并探索其在更复杂量子环境中的应用潜力

相关研究以“Factorization dynamics between quantum Fisher information and quantum coherence（量子费舍信息与量子相干间的因式分解动力学）”为题，发表在国际著名期刊Science Advances（科学进展）上。宁波大学物理科学与技术学院硕士研究生赵鑫智为该论文第一作者，宁波大学物理科学与技术学院张成杰教授为论文通讯作者，宁波大学物理科学与技术学院为第一完成单位。