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在量子科技飛速發(fā)展的今天，量子信息處理和量子計(jì)量學(xué)成為科研領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。記者7月31日獲悉，寧波大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張成杰教授及其團(tuán)隊(duì)，在量子費(fèi)舍爾信息（QFI）與量子相干性之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系上取得突破性進(jìn)展。該研究不僅在理論上建立了兩者之間的分解關(guān)系，更通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為量子參數(shù)估計(jì)和量子傳感領(lǐng)域帶來(lái)了全新視角和潛在應(yīng)用。相關(guān)成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

量子參數(shù)估計(jì)是眾多科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中的核心課題，其目標(biāo)是高精度地確定量子系統(tǒng)的未知參數(shù)。量子費(fèi)舍爾信息作為量子參數(shù)估計(jì)的主要工具，能夠衡量量子態(tài)對(duì)參數(shù)變化的敏感度，并給出量子Cramér-Rao下界（QCRB），它定義了量子參數(shù)估計(jì)精度的理論極限。而量子相干性作為量子信息處理的關(guān)鍵資源，對(duì)于提升量子計(jì)量任務(wù)的性能起著至關(guān)重要的作用。盡管兩者在量子計(jì)量學(xué)中都扮演著重要角色，但它們之間的精確關(guān)系卻一直未被充分探究。

該研究從理論上提出了量子費(fèi)舍爾信息與量子相干性之間的分解定律。對(duì)于純態(tài)情況，該定律表明，在幺正變換下，輸出態(tài)的QFI受到該系統(tǒng)最大QFI和輸入純態(tài)相干性的乘積的限制?；谶@一理論，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了一個(gè)不依賴于最終態(tài)信息的估計(jì)參數(shù)方差的下界，這一成果為量子參數(shù)估計(jì)提供了新的理論基礎(chǔ)。

為了驗(yàn)證這一理論，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了希爾伯特空間維數(shù)D=2和D=3系統(tǒng)下，QFI與量子相干性之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度一致，有力地證實(shí)了QFI與量子相干性之間的分解定律。這些實(shí)驗(yàn)不僅展示了量子相干性作為量子計(jì)量學(xué)中提升估計(jì)精度的資源潛力，還揭示了即使在無(wú)法直接測(cè)量最終態(tài)的情況下，僅通過(guò)分析初始態(tài)的量子相干性，也能夠?qū)?shù)估計(jì)的精度進(jìn)行有效的推斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在D=2情況下，通過(guò)選擇特定的初始態(tài)和測(cè)量算符，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)。在D=3情況下，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了分解定律的普適性，并在理論上證明了混態(tài)輸入時(shí)QFI與初態(tài)相干性之間所滿足的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。

據(jù)介紹，這項(xiàng)成果不僅在理論上豐富了量子計(jì)量學(xué)的內(nèi)涵，更為實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。優(yōu)化初始態(tài)的量子相干性和量子通道的性質(zhì)，可以顯著提高量子參數(shù)估計(jì)的精度，這對(duì)于量子傳感、量子通信以及量子計(jì)算等領(lǐng)域都具有重要意義。