中國科大率先實現(xiàn)高精度量子測量術

    記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室孫方穩(wěn)研究組，在國際上首次利用量子統(tǒng)計測量技術實現(xiàn)不受傳統(tǒng)光學散射極限限制的相鄰發(fā)光物體的測量和分辨，其精度可以達到納米量級。研究成果近日發(fā)表在國際權威刊物《物理評論快報》上。

    如何提高測量精度，數(shù)百年來一直是科學研究的主要課題和技術發(fā)展的主要追求目標。因此，新型的測量技術不斷被開發(fā)，而其中最有吸引力的就是利用量子力學基本原理實現(xiàn)的量子測量方法。隨著量子力學的發(fā)展以及相關量子信息技術的開發(fā)和應用，量子測量一方面可以實現(xiàn)超過經典測量極限的高精度測量，另一方面可以實現(xiàn)經典方式無法完成的各種測量。

    孫方穩(wěn)研究組利用物體發(fā)光的量子統(tǒng)計屬性，設計并實驗實現(xiàn)了不受經典光學散射極限限制的量子統(tǒng)計測量技術，其精度可達納米量級。實驗中，他們用氮原子取代金剛石材料中的一個碳原子，與近鄰的空穴形成氮—空穴色心——一種極其微小的發(fā)光體。然后，他們巧妙地利用簡單的光學收集裝置，通過探測色心所發(fā)出的光子數(shù)，基于它們的量子統(tǒng)計屬性，成功實現(xiàn)了兩個相距8.5納米的氮—空穴色心獨立成像和分辨，同時測量了每個色心的結構，測量精度達2.4納米。如果通過增加收集光子數(shù)，可以把精度提高到1納米以內。實驗中所需的光路簡單，測量系統(tǒng)穩(wěn)定，不受量子消相干效應的影響。

    量子統(tǒng)計測量技術除了適用于相鄰物體的光學成像，還可以測量和分辨發(fā)光體的其他光學屬性，如發(fā)光壽命、波長等。同時，該測量技術可實時測量近鄰物體的動力學演化以及它們之間的相互作用，為實現(xiàn)進一步的量子信息技術提供了新的測量技術，也將在化學、材料、生物醫(yī)學等方向得到應用。