基于耗散与非绝热鲁棒性的临界量子计量学突破

《SCIENCE ADVANCES》：Critical quantum metrology robust against dissipation and nonadiabaticity

本研究针对量子临界计量中因退相干和临界减速导致的实验挑战，提出并验证了一种基于Jaynes-Cummings模型临界行为的量子传感协议。通过将Xmon量子比特与谐振器耦合构建临界系统，利用量子比特激发数对微波场幅度的发散响应特性，在超导电路中实现了对信号场幅度的临界增强型测量。实验测得量子Fisher信息呈现临界量子增强效应，证实了该协议对退相干和非绝热效应的鲁棒性，为高精度量子计量提供了新路径。

　　

在量子精密测量领域，如何利用量子资源提升物理量的测量精度一直是前沿科学难题。传统量子计量依赖于压缩态或量子叠加态等非经典资源，但其性能常受限于环境引起的退相干效应。量子临界系统因其在相变点附近对控制参数的极端敏感性，被认为是实现量子传感突破的理想平台。然而，临界点附近的能隙闭合导致的临界减速现象，使得绝热制备临界态面临严峻挑战，严重制约了临界增强型量子计量技术的实际应用。

针对这一瓶颈问题，研究人员创新性地利用Jaynes-Cummings模型（JCM）中的临界行为，发展了一种对耗散和非绝热效应具有鲁棒性的量子计量新方法。该方案通过将信号场耦合到谐振器，在量子比特激发数中编码待测信息，利用其在临界点呈现的发散变化速率实现信号放大。与需要绝热条件约束的传统临界计量协议不同，该方法通过时间演化态编码参数，有效规避了临界减速问题。

研究团队在电路量子电动力学（QED）平台上进行了实验验证，采用包含固定频率总线谐振器和可调频Xmon量子比特的超导电路架构。关键实验技术包括：1）通过频率调谐实现量子比特-谐振器的可控耦合；2）基于预定时间函数（ε=√[1-(k²t²+1)^-1]）的临界淬火过程控制；3）量子态断层扫描技术表征系统演化；4）基于辅助量子比特的信号场幅度校准方法。实验系统参数为：谐振器频率ω_r/2π≈5.584 GHz，量子比特-谐振器耦合强度Ω≈2π×20.9 MHz，量子比特和谐振器的能量衰减率分别为κ_q≈0.05 MHz和κ_r≈0.08 MHz。

模型构建

理论研究基于驱动型JCM哈密顿量H=Ω[(a^?|g??e|+a|e??g|)+ε(a^?+a)/2]，其中信号场幅度ε为待估参数。当ε<1时，系统存在离散准能级E₀=0和E_n,±=±√nΩA^3/4（A=1-ε²）。暗态|ψ₀?=S(r)|0?|?₀?中的量子比特激发数P_e随ε增大而增加，在临界点ε=1处趋于1/2，且对亮态泄漏不敏感。

数值模拟

通过主方程模拟淬火过程（k=10 MHz），发现光子数对态泄漏敏感，而P_e在ε∈[0.8,0.99]范围内与理想暗态结果高度吻合。即使存在非绝热效应和耗散，P_e的临界响应仍保持稳健，验证了方案对实验噪声的耐受性。

实验验证

在超导量子电路中，通过调控量子比特至谐振频率激活相互作用，同时施加信号场驱动。测量数据显示P_e(ε)=C(1-√A)/2（C=0.9979）与理论预测一致。通过K=500次估计（每次n=1800测量）获得的Fisher信息F=1/(nσ²)呈现临界增强特性，信噪比R_q=(dP_e/dε)/ΔP_e在ε→1时按1/√[2(1-ε)]发散。

本研究成功演示了临界量子计量协议的实际可行性，解决了传统方法中绝热条件难以满足的关键问题。通过量子比特激发数的临界响应特性，实现了对微波场幅度的高精度测量，且对时序误差、频率涨落等实验不完美性具有内在鲁棒性。该方案为超导量子处理器中单量子比特门校准、连续变量量子信息处理等应用提供了新的技术路径，有望推动量子精密测量技术在引力波探测、量子基准等领域的实际应用。