基于量子关联的精密测量研究

This project aims at exploring new methods and techniques of entanglement-enhanced quantum metrology. We will start by engineering multi-photon entanglement, which is a central source for quantum-enhanced precision measurement, holding the promise of compressing quantum noise to a level down to Heisenberg limit. We also aim to realize hyper-entanglement by exploiting multiple degrees freedom of single photons, including polarization, momentum and orbital angular momentum, and demonstrate the improvement of quantum correlation of hyper-entangled quantum-bits in precision measurement. Meanwhile, combining various methods in quantum information and quantum optics, including weak measurement, quantum encoding, Rabi oscillation, and resonance fluorescence etc., we will investigate the possibility of the amplification of weak signals, noise-resilient quantum metrology, phase estimation and optical imaging.

本项目旨在深入研究基于量子关联的精密测量新原理、新方法、新技术。我们将通过发展新的光学手段和技术，实现多个光子的纠缠态，并利用光子之间的量子关联特性实现光子德布罗意波长的缩短。在此基础上，我们将进一步发展光子的多自由度，包括极化、动量、轨道角动量等，实现更高量子比特数目的纠缠态，探索其在精密测量中的应用。同时，我们将利用量子信息和量子光学中的多种调控手段，包括弱测量、量子编码、拉比振荡、共振荧光灯，发展抑制实验噪声的方法，实现对微小相位的放大，并实现超越经典界限的位相估计和打破瑞利衍射极限的光学成像。

本项目围绕着基于量子关联的精密测量，在光与冷原子两个体系中开展较为系统的研究，在基于单光子源的量子傅立叶变换精密测量、面向精密测量的高品质单光子源、基于多粒子纠缠的精密测量、高精度量子光刻等方面取得了一系列处于国际前沿的重要研究成果：在实验上同时利用光子的极化和路径自由度制备出傅里叶变换干涉仪，输入4个单光子，实现了超越散粒噪声极限的量子精密测量；制备出确定性、高品质、高效单光子源，在国际上首次同时解决了单光子源的三个关键问题，成为目前国际上综合性能最优秀的单光子源，进一步构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机，首次演示了超越早期经典计算机（ENIAC、TRADIC）的量子计算能力；首次制备出十光子纠缠态，创造了光子纠缠态制备新的世界纪录；基于光子的多自由度相干调控，首次实现多自由度量子隐形传态，进一步通过调控6光子极化、路径和轨道角动量3个自由度，制备出18比特超纠缠；实现对任意噪声免疫的薛定谔猫态；基于嵌入式量子模拟器的实现量子纠缠直接测量；基于冷原子系统，实现高精度量子光刻。共发表SCI论文10篇，其中包括Nature 1篇，Nature Photonics 2篇， Physical Review Letters 5篇。