量子科學與技術是二十一世紀的重要研究領域，引領著物質科學和信息技術的巨大變革。量子傳感與精密測量作為量子信息領域的重點研究方向之一，在現實世界有著極富前景的應用。如何利用量子資源突破標準量子極限測量精度是這一研究方向的關鍵科學問題。

據了解，基于多體量子糾纏的量子傳感能突破標準量子極限，實現海森堡極限精度的測量，然而在實驗上制備多粒子糾纏態常常面臨著較大的挑戰。因此，發展出能達到海森堡極限測量精度且在實驗上易于實現的量子傳感新方法，具有重要的意義。

近日，華中科大物理學院量子傳感與量子信息實驗室蔡建明教授團隊提出一種量子臨界動力學增強的量子傳感新方法，該方法為實現基于量子臨界現象的量子傳感，突破標準量子極限并達到海森堡極限測量精度，提供了一種新的途徑。

在量子臨界點附近，體系的序參量通常具有發散的極化率，相鄰量子基態的可區分性也被明顯增強，可利用量子臨界效應實現海森堡極限精度的測量。然而，該方法面臨極大挑戰：臨界點附近的量子基態高度復雜且難以直接制備，量子絕熱演化方案需要耗費大量時間。

圖片來源：華中科大物理學院

針對上述困難，研究團隊通過設計量子體系哈密頓量特定的對易條件，進而保證體系呈現出來的量子臨界動力學效應不再依賴于量子基態。

研究結果表明，當哈密頓量處于量子臨界點附近時，體系從任意的量子初態開始演化，都能夠展示出對待測物理參數高度敏感的量子臨界動力學行為。從而，針對待測物理參數進行測量的量子費舍信息（Quantum Fisher Information）在臨界點附近發散，相應的測量精度可以被顯著地提高。

圖片來源：華中科大物理學院

除此之外，研究團隊以量子拉比模型（Quantum Rabi Model）為例，詳細闡明了這一新型的量子臨界傳感方法的基本思想。該方法可以在離子阱、冷原子以及超導量子比特等多種量子體系中加以實現，而且可以推廣到其他量子模型，比如光參量振蕩器、Lipkin-Meshkov-Glick量子多體系統以及團隊在前期工作中發展的非厄米量子傳感探針等。

以上研究工作得到國家自然科學基金的資助。

該研究成果《Dynamic framework for criticality-enhanced quantum sensing》于2021年1月6日在《物理評論快報》上發表，物理學院2017級博士生儲耀明為文章第一作者，2019級博士生余柏奕對本文有重要貢獻，蔡建明教授、張少良副教授為論文的通訊作者。（C114通信網 余予）