前沿 | 噪声量子陀螺仪，实现超越散粒噪声极限的传感精度- 大数跨境

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前沿 | 噪声量子陀螺仪，实现超越散粒噪声极限的传感精度

两江科技评论

2023-04-01

导读：Photonics Research 2023年第2期Editors’ Pick：Lin Jiao, Jun

Photonics Research 2023年第2期Editors’ Pick：

Lin Jiao, Jun-Hong An. Noisy quantum gyroscope[J]. Photonics Research, 2023, 11(2): 150

对旋转角速度进行高精度传感的陀螺仪在航空、海洋和空间应用的导航中具有关键意义。基于Sagnac效应，陀螺仪已在光学和物质波系统中实现。但是现行的陀螺仪精度受到经典散粒噪声极限的限制。

量子计量学是利用压缩或纠缠等量子资源对物理量进行比经典散粒噪声极限更精确的测量方案的新兴学科，它为实现具有终极精度极限的陀螺仪提供了思路。基于这一想法，诸多文献中已经提出多种量子陀螺仪方案。

然而，现有的量子陀螺仪仍处于原理性验证研究阶段，其在精度的绝对值上仍未表现出比传统陀螺仪的优越性。一个关键障碍是量子陀螺仪的稳定性受到微观系统普遍存在的噪声所引起的退相干的挑战，它通常会降低量子探针的量子资源，迫使量子增强的精度回到经典极限，从而使量子优势完全消失。这被称为噪声量子计量的止步定理，是实现量子陀螺仪的主要障碍之一。

为解决上述问题，兰州大学焦琳和安钧鸿提出了一种纠缠辅助的角速度高精度量子传感方案，其在现实噪声环境中的传感精度超越了散粒噪声极限，实现基于现行光纤陀螺仪的量子推广——量子光学陀螺仪方案。在理想的非退相干情况下，其精度达到超海森堡极限。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第2期。

该方案采用双模压缩真空态作为输入态，并在输出端测量光子数的宇称算符（如图1a）。其所实现的超海森堡极限的最佳传感精度反映了所使用的压缩和测量物理量的优势。然而，玻恩-马尔科夫近似下的光子耗散使得该方案的量子优势完全消失（如图1b和1c），此即噪声量子计量的止步定理，是影响高精度量子传感稳定性的一个主要障碍。

图1（a）量子光学陀螺仪示意图；（b）在玻恩-马尔科夫近似即有光子损失的情况下，传感误差δΩ_BA（青色实线）的演化；（c）传感误差的全局最小值与光子数的数值拟合

为了突破该止步定理，作者对提出的量子光学陀螺仪的非马尔科夫退相干进行了精确分析。研究发现，其退相干敏感地依赖于由陀螺仪及其环境组成的总系统的能谱特征。

图2（a）由两个光场及其环境形成的总系统的能谱；当(ω_c∕ω₀, P)=(2, 10⁻¹) (b)，(20, 10⁻²) （c） (25, 10⁻³) （c）时，δΩ(t)的非马尔科夫动力学演化，其中P是放大系数

陀螺仪的每个光场与其局域环境组成的复合系统能谱中形成一个束缚态（如图2a），理想情况下的传感误差随编码时间递减（如图2d和3a）与随总光子数服从超海森堡极限的结果都可渐进地恢复（如图3b）。这意味着止步定理被有效克服了。该结果提供了一个通过操纵束缚态的形成来实现具有卓越抗噪特征的旋转传感器的理论指导，其可通过量子库工程技术来实现。

图3 （a）不同ω_c下，δΩ(t)的局域最小值随时间，（b）和当t = 2.5 × 10⁴ ω₀^-1时N(b)的变化

安钧鸿教授表示：“首先，研究所提出的量子陀螺仪得到的传感精度不仅超越了经典散粒噪声极限，而且超越了量子计量学中普遍可及的海森堡极限，其丰富了量子计量学的领域。其次，研究结果提供了一种克服文献中长期存在的噪声量子计量止步定理的有效方法，扩展了人们对量子计量方案中退相干效应的普遍认识。最后，这些结果为在现实噪声环境中实现高精度旋转传感奠定了基础，为量子光学最新实验指明了方向。“

作者简介

安钧鸿

兰州大学物理科学与技术学院

主要研究方向：量子光学、量子精密测量、量子/拓扑相变以及非平衡量子统计动力学

安钧鸿，兰州大学物理科学与技术学院教授。2016年入选甘肃省飞天学者，2017年入选中央军委科技委主题专家组专家，2018年入选中国物理学会量子光学专业委员会委员。先后主持国家自然科学基金、中央军委科技委课题等10多个项目。曾在Physical Review Letters、Physical Review A/B/Applied等期刊发表学术论文60余篇。