科研进展 | 东南大学、华中科大、浙大、中科大等：无例外点的非厄米传感

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2024-10-29 18:55发布于四川

开放系统在高精度传感方面具有独特潜力，但之前的多数研究都依赖于被称为“例外点”的谱奇点。

10月28日，东南大学、华中科技大学、浙江大学、中国科学技术大学、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院组成的研究团队在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Non-Hermitian Sensing in the Absence of Exceptional Points”（无例外点的非厄米传感）的研究论文，Lei Xiao、Yaoming Chu为论文共同第一作者，易为教授、蔡建明教授、薛鹏教授为论文共同通讯作者。

在本文中，研究人员理论提出并实验证明了无例外点（exceptional point）情形下的普适非厄米传感。该方案利用了非厄米探针对弱外场的内禀敏感性，这可以理解为非厄米性的直接结果。通过使用光子干涉测量法模拟传感器场动力学来确认基本机制，并演示了用波片设定角度编码的信号的增强传感。虽然探针的敏感度最终受到测量噪声的限制，但研究人员发现非厄米传感器在无法通过重复测量抑制的背景噪声下表现出卓越的性能。该实验开辟了无例外点的增强传感途径，补充了利用开放系统独特功能的量子传感。

背景

高精度传感在现代科学中扮演着越来越重要的角色，目前已经投入了大量人力物力来设计新颖的传感方案和下一代传感器。其中一个有前途的途径是利用开放系统对外部扰动的独特敏感性，其中最出色的例子是基于例外点的传感。虽然开放系统的动力学可以用非厄米有效哈密顿量来描述，但它们的复本征谱在被称为例外点的分支点奇异处展现出奇特的简并性。在例外点附近，系统展现出迷人的性质，其中重要的是，本征谱对弱扰动高度敏感，这一特征已被广泛研究用于增强传感的例外点。在过去的几十年中，已经使用经典电磁波或声波、量子开放系统的囚禁离子、固态自旋或单光子证明了原理验证的例外点增强传感器。这些原型传感器及其背后的协议严重依赖于例外点的存在，需要设计具有精细调整参数的非厄米有效哈密顿量。

理论方法

研究人员考虑了一个受弱外场扰动的非厄米量子比特传感器，总哈密顿量为H=H+λV，其中λ是待估计的小参数，V=σx。在适当选择的正交基下，裸非厄米传感器的哈密顿量可以表示为：

。初态为基态|ψ(0)⟩=|0⟩的系统动力学由H支配，状态的时间演化为：

，其中|a|≤1，2Dt=(1−a)+i(1+a)cotEt。通过巧妙地选择基矢，能够满足条件|δ|<<1，从而对传感器的动力学进行深入研究。值得注意的是，此研究中的非厄米传感器与例外点的性质无关，其工作参数在实验中远离任何例外点，这是通过弗罗贝尼乌斯范数（Frobenius norm）距离来表征的。

通过计算归一化态∣0⟩的布居数S(t)对λ的敏感度，即易感性χλ=∂λS(λ,t)，可以评估传感器的探测敏感度。研究表明，在非厄米情况下，当∣Dt∣∼∣δ∣≪1时，S(λ)对λ的变化非常敏感，从而实现对弱外部场的超敏感探测。

实验方案

实验使用线性光学元件模拟非厄米特哈密顿量的时间演化。光子通过偏振分束器（PBS）和低反射率分束器（BS）进入干涉网络，进行非厄米特哈密顿量的时间演化。

通过调整波片的参数，实现了非厄米特时间演化算符u(τ)，并在每个周期结束时通过低反射率BS反射约10%的光子进行测量。

通过测量水平偏振光子和垂直偏振光子的计数，确定态|H⟩的归一化概率S，并计算敏感度χλ。

结果与分析

实验结果显示，非厄米特传感器在λ的小变化下表现出更尖锐的概率变化，相比于厄米传感器，非厄米传感器的敏感度显著提高。

作为应用示例，实验中编码信号在波片设置角度θ1中，非厄米传感器在θ1接近−0.06π时表现出更高的敏感度。

存在背景噪声的情况下，非厄米传感器的测量不确定度始终小于厄米传感器，显示出在技术噪声下的优越性能。

图1：非厄米性增强传感的机制。

图2：非厄米循环结构量子演化的实验示意图。

图3：非厄米传感器和厄米传感器敏感度的实验结果。

图4：测量不确定度的实验结果。

主要研究人员

易为，中国科学技术大学教授、博导。研究方向为强关联体系、量子模拟、超冷原子。

蔡建明，华中科技大学物理学院院长、教授、博导，中德量子传感与量子测量国际联合实验室（HUST-UULM）联合主任。毕业于中国科学技术大学，先后在奥地利因斯布鲁克大学、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所、德国乌尔姆大学从事研究工作，曾获奥地利科学基金会 Lise Meitner Fellowship、欧盟Marie Curie Intra-European Fellowship资助，并获聘德国乌尔姆大学永久研究职位，入选海外高层次青年人才计划、湖北省百人计划，主持国家杰出青年科学基金项目。

薛鹏，北京计算科学研究中心教授、博导，东南大学兼职教授、博导。1999年以优异的成绩毕业于中国科学技术大学物理系，获得学士学位，并免试进入本校中科院量子信息重点实验室攻读博士学位，师从郭光灿院士，2004年7月获得博士学位。之后赴奥地利因斯布鲁克大学物理系、奥地利科学院量子光学和量子信息研究所，以及加拿大卡尔加里大学物理系作为博士后从事量子信息的物理实现以及量子光学的基础研究工作，致力于利用量子行走实现普适的量子信息处理平台的研究工作。

参考链接

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.180801

[2]https://faculty.ustc.edu.cn/yiwei/zh_CN/index.htm

[3]https://qsqm.hust.edu.cn/info/1064/1767.htm

[4]https://www.iqsqm.com/list_15/35.html

[5]https://www.csrc.ac.cn/groups/xuepeng/members.html