我室彭新华研究组和香港中文大学袁海东教授合作，在临界量子度量的实验研究中取得重要进展。该合作研究组通过引入一阶相变的量子临界效应，借助于高精度的量子绝热控制，首次成功地在核磁共振实验平台上实现了达到海森堡标度精度的临界量子度量，推动了量子度量领域的发展，为量子精密测量提供了新的途径。相关研究成果于12月13日以“Experimental Critical Quantum Metrology with the Heisenberg scaling”为题发表在国际学术期刊npj Quantum Information上[npj Quantum Information (2021) 7:170]。

作为量子技术最有前景的应用之一，量子度量利用量子相干和量子纠缠等量子资源，理论上可以达到超越经典度量策略的精度极限。然而通常来说，由于量子体系受实际噪声的干扰，这样的量子优势是难以实现的。最近，临界量子度量引起了广泛的理论研究与关注，因为其不但有量子绝热演化固有的鲁棒性，同时具有量子临界系统的高灵敏度特性。尽管理论研究已经取得了令人振奋的结果，实验上的演示和验证仍是匮乏的。原因在于之前的研究工作通常考虑具有连续量子相变的系统，其要求满足热力学极限，因此十分具有实验挑战性。自从理论提出十多年来，研究人员从未在实验体系上验证过临界量子度量的可行性和优越性。

图1 实验量子线路图

为此研究组设计了基于微扰伊辛自旋模型的实验方案。利用两自旋体系的朗道-芝诺免交叉效应，不但在基态中编码了未知参数，同时通过调节能级差来控制在绝热路径上的演化时间，减缓了‘临界减速’效应，最终成功观测到了微扰的双自旋伊辛模型基态在一阶相变点处测量灵敏度的急剧提升。此外进一步通过调制微扰场的方式改变相变点处的能级差，观测到了测量灵敏度随时间资源的海森堡尺度增加趋势。具体来说，实验上利用核磁共振平台高精度的绝热量子控制手段，将系统驱动至哈密顿量在不同参数下对应的基态作为量子探针，之后在此量子探针上施加最优测量。通过对测量概率差分，可以方便地近似得到对应基态的量子费舍尔信息大小。量子费舍尔信息作为衡量量子探针测量精度极限的重要指标，研究组实验发现：该临界量子系统在量子相变点处的费舍尔信息出现激增，展现了临界量子度量的优势；随着进一步调制相变点处的能极差，其量子费舍尔信息随时间资源消耗同时增长，并保持着海森堡标度的变化趋势，从而首次实验实现了达到海森堡标度的临界量子度量。

研究结果表明，利用一阶量子相变的特性，可以成功实现临界量子度量并达到海森堡标度的测量精度极限。这个实验代表了利用临界系统实现量子度量的一个重要进展，其具有噪声鲁棒性以及能级差可调制的优势，该临界量子度量方案有望在NV色心、超导、冷原子等更多量子体系上实现。

图2 实验测量量子费舍尔信息结果

(a, b) 不同纵向磁场下的量子费舍尔信息及单位时间的量子费舍尔信息。

(c, d) 相变点处的量子费舍尔信息及单位时间的量子费舍尔信息。

    彭新华教授研究组一直致力基于磁共振量子计算与模拟、量子控制以及量子精密测量的新技术发展，并取得了一系列进展，包括2017年提出并实现一种新的经典-量子杂化的量子闭环优化控制技术 [PRL 118, 150503 (2017)]；2020年结合闭环学习控制手段，实现了高精度量子探针态的优化制备 [npj Quant. Inf. 6, 62(2020)]；2021年实现了新型的自旋微波激射器，在低频段创造了国际最佳的磁探测灵敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，彭新华研究组将已发展的平台型量子精密测量技术用于寻找新粒子，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果，2021年开发出了一种新型量子自旋放大器的超灵敏量子测量技术，并利用该技术进一步开展了超越标准模型的暗物质候选粒子和新相互作用的实验直接搜寻，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限[Nat. Phys. (2021)，DOI：10.1038/s41567-021-01392-z; Sci. Adv. 7,eabi9535 (2021)]。

我室博士生刘然以及理论合作组陈宇博士为此工作共同第一作者，彭新华教授和袁海东教授为此工作的共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。