南京大学张利剑教授、陆延青教授在Phys. Rev. Lett.发表利用弱测量实现量子精密测量的研究成果

8月17日，南京大学现代工程与应用科学学院张利剑教授课题组与陆延青教授课题组，英国华威大学（University of Warwick）的Animesh Datta教授课题组，加拿大渥太华（University of Ottawa）大学的Jeff S. Lundeen教授课题组合作的成果“Approaching Quantum-Limited Metrology with Imperfect Detectors by Using Weak-Value Amplification”以封面文章形式发表于《物理评论快报》。【Phys. Rev. Lett. 125, 080501, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.080501】

图1，传统测量方案与弱值放大方案的比较。

创新研究

弱测量的概念最早由Aharonov, Albert和 Vaidman在1988年提出，不同于传统的量子测量方法，弱侧量的探测结果——弱值（weak value）——可以远远超过可观测量的本征值谱，该效应被称为弱值放大，并被广泛应用于超灵敏的物体偏转、时间延迟、温度变化、速度测量、非线性效应等微小物理量的测量。然而该放大效应必须对信号进行后选择，以牺牲信号的强度为代价。因此，在考虑到后选择成功概率的情况下，弱值放大方案相较于传统的测量方案是否有测量精度的优势，一直是一个有争议的话题。研究团队在前期工作中（Physical Review Letters, 114, 210801(2015)）为研究弱值放大的测量精度建立了完备的理论模型，并指出在理想条件下，其放大效应被信号强度的降低所抵消，因而不会带来测量精度的提升。而实际测量系统总是存在各种非理想因素，因而探究弱值放大方案在何种条件下具有优势，对其在实用化的量子精密测量方案具有重要意义。

 图2，实验装置图[(a)-(d)]与光电探测器标定结果[(e), (f)]。

在光学测量中，测量精度一般随信号强度而增加，而普遍存在的探测器的噪声和动态范围决定了探测器仅对处于一定强度区间的信号进行响应，因而成为限制测量精度的主要因素之一。弱值放大方案可以通过后选择对信号强度进行控制，因而有望避开探测器响应区间的限制。研究团队利用量子精密测量和弱值放大的基本理论，探究了具有最优精度的弱值放大方案，并发现该方案允许在很大范围内调控被探测的光子数目，同时测量精度始终基本保持在最优的测量精度，甚至仅探测1%的光子的弱值放大方案就可以达到与探测全部光子的传统测量方案相同的精度。该发现对于弱值放大方案应用于实际光学系统的精密测量具有重要意义。研究团队将优化后的弱值放大方案应用于光束微小位移的测量，利用光场模式调控实现弱值放大，有效规避了传统测量方案在高光强下的探测器饱和，实现了更优的测量精度。除此之外，在保证测量精度信息不丢失的情况下，可动态调整的探测光子数可以最大程度上克服光电探测器的经典电噪声和动态范围限制，从而使得光电探测器始终工作在具有最高信噪比的探测区间，实验结果表明弱值放大方案可以将测量系统输入光子数的动态范围扩大2个数量级，在相同光子数输入的情况下，得到的测量精度相较于传统测量可提升6倍。
 

图3，（a）弱值放大方案与传统测量方案精度比较；（b）接近量子极限精度的弱值放大方案。

总 结

该工作理论探究并实验验证了弱值放大方案在光学系统精密测量中的独特优势，突破了传统测量方案中探测器接收光子数的动态范围限制，在该动态范围之外仍能够保持随着输入光子数增加所带来的精度提升，实现逼近由光场散粒噪声决定的量子极限的测量精度，为研究基于弱值放大方案的测量精度优势提供了重要思路，并对推进该方案在实际光学测量和遥感中的应用具有重要意义。

       南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生胥亮为该论文第一作者，陆延青教授和张利剑教授为论文的共同通讯作者，南京大学为论文第一单位。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。

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http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.080501