非马尔科夫噪声下的量子参数估计研究

Quantum parameter estimation plays a center role in any aspect of science and technology. However, the advantage of quantum parameter estimation is very fragile under the environmental noises. In this project, we study the issues of quantum parameter estimation in non-Markovian noises and explore the basic characteristics of parameter estimation. We reveal the twofold functions of non-Markovian effect on the parameter-estimation precision and show that non-Markovianity is a new resource for quantum metrology. The underlying physical mechanism of local memory effect and non-local memory effect enhanced parameter-estimation precision is investigated. Combining the techniques of quantum Zeno effect, dynamical decoupling and quantum weak measurement, we propose some theoretical schemes to surpass the standard quantum limit and may beat Heisenberg limit, which could be explained from the perspective of redistribution of quantum Fisher information. We also begin to investigate multiple-parameter estimation in non-Markovian noises, establish mature theoretical method and technique for the solution of quantum Fisher information matrix and develop some new perspectives. This project can release the restriction of environment dissipation on quantum parameter estimation and would be beneficial to the technique of quantum precision measurement.

量子参数估计在科学技术的各个领域都有占据着核心地位，但量子参数估计的优越性很容易受环境噪声的影响而彻底消失。本项目将针对非马尔科夫噪声下的量子参数估计问题开展深入研究，探索非马尔科夫噪声下量子参数估计的基本规律，揭示非马尔科夫效应对参数估计精度的双重影响，开发非马尔科夫性这一新资源在量子参数估计中的应用，探索局域记忆效应和非局域记忆效应增强参数估计精度的物理机制；有效地结合量子芝诺效应、动力学解耦和弱测量等量子调控技术，提出能保证量子参数估计精度突破标准量子极限，甚至超越海森堡极限的理论方案，创新性地从量子Fisher信息重新分配的角度解释超越海森堡极限的内在机理；开展非马尔科夫噪声下的量子多参数估计理论研究，建立成熟的求解多参数量子Fisher信息矩阵的理论方法，形成若干新理论观点。研究结果有益于突破环境耗散对量子参数估计精度的制约，对发展量子精密测量技术具有较好的指导作用。

量子参数估计旨在利用量子力学原理突破经典测量极限，尽可能提高参数估计的精度，在国防安全和科学技术的各个领域都占有重要地位，但量子参数估计的优越性很容易受环境噪声的影响而彻底消失。本项目针对非马尔科夫噪声下的量子参数估计问题开展了深入研究。发现在非马尔科夫噪声下，隐形传送的量子Fisher信息呈阻尼振荡的趋势并很快衰减殆尽，揭示了非马尔科夫噪声的双重特性：记忆效应和耗散效应。提出了基于弱测量和环境辅助测量增强非马尔科夫环境下隐形传送量子Fisher信息的方案，发现这两种方案均可以有效地提高远程量子参数估计的精度，并且环境辅助测量方案可完美恢复原来的量子Fisher信息。此外，发现关联噪声中的记忆效应也能提高量子信息传输的效率及量子密集编码容量，但是噪声的影响仍然存在。提出了利用弱测量量子调控技术抑制关联噪声提高量子信息传输效率及容量的方案。最后将研究推广到相对论量子信息领域，提出了利用弱测量抑制非惯性系下纠缠衰减及提高史瓦西时空背景下量子隐形传态保真度的方案。项目的研究取得了较多具有创新性的研究成果，发表高水平论文10篇，获省自然科学奖1项，培养研究生5名。研究结果对突破环境耗散对量子参数估计的制约，发展实用型量子精密测量技术具有较好的指导作用。