中國(guó)科大率先實(shí)現(xiàn)高精度量子測(cè)量術(shù)

    記者從中國(guó)科大獲悉，該校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫方穩(wěn)研究組，在國(guó)際上首次利用量子統(tǒng)計(jì)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)不受傳統(tǒng)光學(xué)散射極限限制的相鄰發(fā)光物體的測(cè)量和分辨，其精度可以達(dá)到納米量級(jí)。研究成果近日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威刊物《物理評(píng)論快報(bào)》上。

    如何提高測(cè)量精度，數(shù)百年來(lái)一直是科學(xué)研究的主要課題和技術(shù)發(fā)展的主要追求目標(biāo)。因此，新型的測(cè)量技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā)，而其中最有吸引力的就是利用量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)的量子測(cè)量方法。隨著量子力學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)量子信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，量子測(cè)量一方面可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)經(jīng)典測(cè)量極限的高精度測(cè)量，另一方面可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典方式無(wú)法完成的各種測(cè)量。

    孫方穩(wěn)研究組利用物體發(fā)光的量子統(tǒng)計(jì)屬性，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了不受經(jīng)典光學(xué)散射極限限制的量子統(tǒng)計(jì)測(cè)量技術(shù)，其精度可達(dá)納米量級(jí)。實(shí)驗(yàn)中，他們用氮原子取代金剛石材料中的一個(gè)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(jiǎn)單的光學(xué)收集裝置，通過(guò)探測(cè)色心所發(fā)出的光子數(shù)，基于它們的量子統(tǒng)計(jì)屬性，成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)相距8.5納米的氮—空穴色心獨(dú)立成像和分辨，同時(shí)測(cè)量了每個(gè)色心的結(jié)構(gòu)，測(cè)量精度達(dá)2.4納米。如果通過(guò)增加收集光子數(shù)，可以把精度提高到1納米以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)中所需的光路簡(jiǎn)單，測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定，不受量子消相干效應(yīng)的影響。

    量子統(tǒng)計(jì)測(cè)量技術(shù)除了適用于相鄰物體的光學(xué)成像，還可以測(cè)量和分辨發(fā)光體的其他光學(xué)屬性，如發(fā)光壽命、波長(zhǎng)等。同時(shí)，該測(cè)量技術(shù)可實(shí)時(shí)測(cè)量近鄰物體的動(dòng)力學(xué)演化以及它們之間的相互作用，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的量子信息技術(shù)提供了新的測(cè)量技術(shù)，也將在化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等方向得到應(yīng)用。