中科大郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等人与香港大学Giulio Chiribella合作，利用量子不确定因果序实现了超越海森堡极限精度的量子精密测量。研究成果于5月1日以「Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order」为题发表在国际著名期刊《自然·物理》(Nature Physics)上。其中，中科大李传锋、陈耕与港大Giulio Chiribella为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室已毕业博士研究生殷鹏、香港大学博士生赵晓斌为论文共同第一作者。

量子精密测量致力于把量子力学原理运用到各种测量任务中以实现超过经典极限的测量精度。海森堡极限被认为是利用量子方法和资源所能达到的最终极限。之前国际上曾有一些工作声称超越了海森堡极限，然而这些工作利用了非线性效应或者包含了含时的哈密顿量，引起了广泛讨论，最终被理论上证明在以能量等作为规范化资源定义的前提下仍然会遵循海森堡极限。

图1 | 量子不确定因果序的示意图。蓝色和红色路线经过两个门的时序不同且处于量子叠加态

近年来，学术界提出一种新的量子结构，即量子不确定因果序。量子力学的叠加原理不仅允许不同量子本征态之间的叠加，也允许两个事件处于两个相反时序的量子叠加上（如图1所示）。这样一种新型的量子资源已经被证实可以在特定的量子计算和量子通信任务中提供优势，然而此前工作都是基于离散变量体系，未能直接应用于量子精密测量任务中。

李传锋、陈耕等人设计了一种全新的杂化（hybrid）量子装置，即用一个离散量子比特控制光子两组连续变量的演化时序，实验实现了不确定因果序，从而实现了对演化产生的几何相位的超海森堡极限的精密测量，即测量的不确定度δＡ反比于独立演化过程的次数N的平方（δＡ∝1/N²）。实验结果表明，这种新方法在实验演示的范围内获得了对确定因果序方法理论上的最高测量精度，即海森堡极限（δＡ∝1/N，图2中的蓝色虚线）的绝对优势，实验结果逼近了理论上的超海森堡极限（图2中的红色实线）。

该实验使用单个光子作为探针，不存在光子间的相互作用，且单次测量所需要的能量不超过单个光子的能量，从而实现了首个在规范化资源定义下超越海森堡极限的实验工作。实验实现的相对于确定因果序方法的提升可以直接转化为在实际测量任务中的现实优势。

图2 | 实验的测量精度。黑色方点为N个独立演化过程的实验测量精度，红色实线为不确定因果序方法的超海森堡极限（δＡ=1/N²），蓝色虚线为确定因果序方法的最高精度，即海森堡极限（δＡ=1/N）。

该实验对不确定因果序和量子精密测量的理解均带来了重要影响。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省、中国科学技术大学的资助。

中科大苟廷玉和刘睿揭示太阳爆发的重构过程

中科大日地空间物理研究团队在太阳爆发活动的研究中取得重要进展，发现爆发结构在早期爆发过程中发生了复杂的重构演化，研究成果以「Complete replacement of magnetic flux in a flux rope during a coronal mass ejection」为题，于2023年5月4日发表在国际学术期刊《自然·天文》(Nature Astronomy)。

该项工作第一作者为中国科大地球和空间科学学院原特任副研究员苟廷玉，现在美国哈佛-史密松天体物理中心工作。苟廷玉和中科大刘睿教授为文章共同通讯作者。合作单位包括奥地利格拉茨大学、美国新罕布什尔大学、中科院国家天文台、深空探测实验室等。

太阳爆发活动的一个主要表现形式是日冕物质抛射（coronal mass ejection;或CME），即太阳大气中缓慢积累的磁能在短时间内被剧烈地释放出来，将局部大气加热到上千万度——被称为耀斑，并产生大量高能粒子，同时上亿吨携带着磁场的日冕物质被抛射到行星际空间。在接下来几天内，它将扰动整个太阳系的空间环境，尤其是影响现代社会中的各种高技术系统，包括航天、航空、通讯、电网等。自上世纪70年代被发现以来，日冕物质抛射一直是太阳和日地空间物理关注的焦点。在经典图像中，太阳爆发的核心结构是由螺旋缠绕的磁力线构成的磁绳；在爆发开始后，磁绳周围的磁力线通过磁场重联转化为螺绕的磁力线，包裹在原有磁绳之外，导致其以「滚雪球」的方式迅速长大，预期形成具有规则缠绕形态的抛射磁场结构。然而，各种近地和行星际飞船在「原位」探测到的太阳抛射物中，只有一小部分（仅约三分之一）具有预期的磁场结构，其余则与经典图像存在较大偏差。

图1 | 爆发前磁绳结构的形成

研究团队对发生在2014年教师节的日冕物质抛射事件进行了深入研究，经过多方探索和仔细分析，发现爆发前形成的磁绳结构在爆发过程中经历了一系列复杂的剥蚀、瓦解和重建。观测证据表明，爆发前具有S形结构的磁绳从小尺度的「种子」发展而来（图1），这一过程也为研究团队前期的研究成果提供了不同角度的重要佐证。爆发开始时，磁绳的足点被低层大气中一个梯形的亮带清晰地勾勒出来（图2）；在随后的剧烈爆发过程中，爆发结构的足点由于物质缺失表现为日冕中的暗化区（图2）。伴随着太阳色球耀斑带的高度动态变化和日冕暗化区域的随之漂移（图3），爆发结构的足点位置发生了剧烈的迁移，与爆发前磁绳的足点区域几乎没有交集（图2）；而根据经典图像，表征爆发结构足点的日冕暗化区本应覆盖原有磁绳的足点。耀斑带末端则呈现极度不规则的形态以及来回拉锯式的运动（图3），揭示磁绳内部以及磁绳与周围磁场间发生着复杂的三维磁场重联。这些现象表明，爆发过程中的三维磁场重联将原有磁绳的磁通量几乎完全替换。这一研究揭示了以前鲜有报导的复杂三维磁重联的细节过程及其在日冕物质抛射形成中的重要作用，同时为行星际空间复杂抛射结构的产生提供了新的物理解释，也为空间天气预报带来启示。

图2 | 爆发前磁绳足点与爆发结构的足点几乎无交集，表明磁绳中的磁通在爆发过程中通过磁场重联被完全更替

图3 | 爆发过程中色球耀斑带随时间的剧烈动态演化

该项研究工作得到了基金委杰出青年科学基金等项目的资助。

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02046-y

[2]https://www.nature.com/articles/s41550-023-01966-2

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