基于量子弱测量的量子态成像和参数估计技术研究

Efficient and reliable methods of measuring unkown quantum states (quantum wavefunctions) and estimating unknown system parameters are importantant problems in the comtempory field of quanum metrology.The conventional schemes for both problems are based on strong projective measurements. In contrast, in the present research project, we aim to develop new schemes (the so-called “direct schemes”) based on quantum weak measurements and the novel concept of quantum weak values. We plan to perform the following investigations:.1) For the scheme of direct measurement of unknown wavefunction of photons in an optical cavity, carry out the figures of merit such as signal-to-noise ratio, measurement efficiency and fidelity in comparison with the conventional measurement scheme. .2) Develop scheme of direct measurement of the vibrational wavefunctions of ion and/or atom traps, carrying out similar figures of merit as for measuring the state of cavity photons..3) Develop direct scheme for measuring the vibrational wavefunctions of chemical molecules and carry out the figures of merit..4) Explore new methods of quantum parameter estimation for typical solid-state quantum information systems, including analyzing/simulating the accuracy and limits bound, and developing strategies to remedy the effect of information loss during the continuous measurements.

可靠和高效地测量量子系统的未知波函数以及实现精确的参数估计，是目前备受关注的量子技术课题。对这两方面问题的研究，通常的方法都是基于量子强投影测量。本申请项目，将基于量子弱测量技术以及新颖的量子弱值概念，对这两个方向上的若干重要量子系统开展以下研究：.1）针对光学微腔中未知光场波函数的直接测量方案，定量研究该方案的信噪比、测量效率、保真度等指标并与常规方案做比较。.2）建立离子和原子阱系统中阱内原子振动波函数的直接测量方案，以及开展与光学微腔相类似的研究。.3）构建直接测量化学分子振动态的新技术，实现对分子振动波函数的直接测量。.4）基于连续弱测量和“过去量子态”，对固态量子比特系统建立新型参数估计方法，解析分析和数值模拟这种估计方法下的误差极限，探索有信息遗漏情况下的估计结果以及补救方法。

实现量子系统未知参数的精确估计是备受关注的量子技术课题之一，我们利用量子弱测量技术以及量子弱值的概念，全面分析并定量刻画了量子弱值放大技术在量子精密计量学中的应用。另外，针对马约拉纳量子比特具有抵抗局域噪声退相干的优点，我们开展了马约拉纳量子比特量子测量的研究，以及马约拉纳零能模诱导的远程非局域交叉关联的研究。具体来说：1）开展了任意测量强度下的量子弱值放大技术分析，定量地比较了该方案与标准方案，并分析了存在技术噪声时该方案的性能；2）开展了meter系统为光学相干态和混合态的精确参数估计研究，获得了一系列全新的研究结果；3）构建了量子输运干涉仪，开展了马约拉纳量子比特和纠错稳定子的量子测量研究，取得了一些有特色的研究成果；4）深入研究了马约拉纳零能模诱导的远程非局域交叉关联问题。