中國科大率先實現(xiàn)高精度量子測量術(shù)

    記者從中國科大獲悉，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(shù)實現(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(quán)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(xué)研究的主要課題和技術(shù)發(fā)展的主要追求目標。因此，新型的測量技術(shù)不斷被開發(fā)，而其中最有吸引力的就是利用量子力學(xué)基本原理實現(xiàn)的量子測量方法。隨著量子力學(xué)的發(fā)展以及相關(guān)量子信息技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，量子測量一方面可以實現(xiàn)超過經(jīng)典測量極限的高精度測量，另一方面可以實現(xiàn)經(jīng)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(shè)計并實驗實現(xiàn)了不受經(jīng)典光學(xué)散射極限限制的量子統(tǒng)計測量技術(shù)，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(xué)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(jié)構(gòu)，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(nèi)。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(yīng)的影響。

    量子統(tǒng)計測量技術(shù)除了適用于相鄰物體的光學(xué)成像，還可以測量和分辨發(fā)光體的其他光學(xué)屬性，如發(fā)光壽命、波長等。同時，該測量技術(shù)可實時測量近鄰物體的動力學(xué)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(shù)提供了新的測量技術(shù)，也將在化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等方向得到應(yīng)用。