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近日，基础与前沿研究院Abolfazl Bayat教授的“量子信息技术”团队在国际著名期刊Physical Review Letters（物理评论快报，SCI-1区，影响因子9.16）上发表了题为“Stark localization as a resource for weak-field sensing with super-Heisenberg precision”的研究论文。基础与前沿研究院硕士生何行健为该论文第一作者，博士后Rozhin Yousefjani为第二作者，Abolfazl Bayat教授为该论文通讯作者，基础与前沿研究院为第一作者单位。研究内容为量子技术的热门话题：量子传感。

弱场传感是一项颇具挑战性的工作，需要消耗大量资源，甚至像激光干涉引力波天文台（LIGO）一样复杂。量子系统对环境的敏感性使它们成为极具前景的传感器。在使用相同数量的资源（如探针尺寸L或时间T）时，经典传感器的测量误差标度为（1/L），而量子传感器可达到更高的资源利用率，即(1/L)^β（其中β＞1）。已知量子干涉可以将传感精度提高到β＝2，也就是所谓的海森堡极限。研究表明，作为量子物理的一个重要特征，量子多体系统中波函数的离域化行为可作为弱场传感的资源。随着系统尺寸增加，离域化的波函数扩展到更大的范围，传感精度则显著提升到超海森堡精度，测量误差甚至以(1/L)^6的速度衰减。超海森堡的传感精度在整个能谱范围内都可以实现，但是系统基态体现出更好的标度。结果显示，即使存在热涨落，该传感器的性能仍明显优于经典传感器，而且能以前所未有的精度探测重力场、梯度磁场和电场。

团队通过制备在某个能量本征态的Stark单粒子系统来探测未知梯度场。如下图所示，该传感器的测量误差可降低至~10^-15。这表明团队的传感器能以前所未有的精度探测微小的重力场、电场和磁场。另外，测量误差随探针尺寸增加而迅速向无穷小收敛，同时系统从扩展相（波函数分布在整个晶格）过渡到局域化相（波函数禁锢在几个格点范围内）。

该传感器的亮点在于测量精度为超海森堡精度，即误差随系统大小变化为(1/L)^β（其中β＞2），显著有别于其他量子传感器。如下图所示，对于弱场传感，测量误差随探针尺寸的标度为(1/L)^6。这种测量精度超越了所有已知的具有局部相互作用和有界能谱的量子多体传感器。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.010801

课题组主页：

https://physqit.com/

Abolfazl Bayat，教授，博士生导师。主要研究方向为量子模拟、量子传感与多体物理。已与全球25名以上量子信息领域的杰出专家及其团队开展科研合作。截至目前，在相关领域内国际顶级期刊上共发表了60 篇高质量论文，包括Nature Communications（1篇，SCI-1区，影响因子17.69）, Physical Review Letters（13篇，SCI-1区，影响因子9.16）等。Google Scholar（截止至2023.06.18）论文总引用超过1900次，h-index为25。主持多项国家自然科学基金（其中1项为国家自然科学基金重大研究计划）。担任Physical Review Journals，New Journal of Physics等国际期刊审稿专家。

Rozhin Yousefjani，基础与前沿研究院博士后。主要研究方向为量子相变、量子多体局域化、量子传感与量子通信。现阶段主要研究量子信息和新型量子系统（如强关联量子多体系统）。截至目前，在相关领域内国际期刊上共发表了16篇论文，包括Physical Review Letters, Quantum, Physical Review A, Physical Review Research等。现已获得国家自然科学基金外国青年学者研究基金项目1项。

何行健，基础与前沿研究院硕士生，目前研究方向为量子技术与凝聚态物理的交叉研究。研究重点是量子多体系统的局域化行为及其在量子传感中的应用。