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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

量子置乱描述了信息在量子系统中传播到多个自由度，使得信息不再是局部可得的，而是分布在整个系统中。这个想法可以解释量子系统如何成为经典并获得有限的温度，或者在黑洞中，关于落入其中的物质的信息是如何被看似抹去的。

基于此，麻省理工学院李泽阳等人研究了相空间中多粒子系统在双稳点附近的指数置乱，并将其用于纠缠增强计量。利用时间反转协议观测到计量增益和超时序相关器同时呈指数增长，从而从实验上验证了量子计量与量子信息置乱之间的关系。本研究结果表明，能够以指数级速度产生纠缠的快速置乱动力学对实际计量有用，导致超出标准量子极限的6.8(4)分贝增益。

实验装置

Lipkin-Meshkov-Glick (LMG)哈密顿量在相空间中表现出指数演化，而它可以在腔量子电动力学(cQED)系统中实验实现。本工作实验是用磁性亚能级|↑，↓>的N=200 ¹⁷¹Yb原子进行的，通过在OAT哈密顿量中加入一个振荡的横向磁场来实现旋转框架中的LMG哈密顿量。实验首先通过光泵浦将系统初始化为指向X轴的相干自旋态(CSS)，然后进行π/2的自旋旋转。利用Holstein-Primakoff近似的解析解表明，系统演化是周期性的。

图  不稳定不动点系统灵敏度的指数增长

计量获得

首先测量了在后集体自旋S的抗挤压{最大方差₊²≡max_[var(S_)]/(S/2) }作为比值/(S)的函数。然后测量了两种情况下、的₊²如何随时间增长。在临界调谐LMG哈密顿量下的时间演化快速制备了纠缠的集体量子态。作者利用SATIn协议实现量子计量，与SQL相比，计量增益提高了6.8(4)dB。

图  cQED系统中的集体自旋演化

图  计量增益与指数LMG时间反转协议

量子计量和量子信息

为了研究时间反转协议的量子信息科学方面，作者使用随机测量的量子态层析测量了保真度OTOC (FOTOC)。在固定的正向演化时间t下，FOTOC F依赖于小位移_Φ，并通过其二阶导数与OTOC （t）相关。结果表明，拟合的二次曲线从_Φ=0略微偏移，并且峰值保真度略有降低。这种位移可能是由于自旋态之间的假设和实际拉莫尔频率之间的微小差异，而单位峰值保真度的降低是由于与残余光原子纠缠相关的不完美时间反转。这些小缺陷不会显著降低计量增益。

图  从量子态层析中提取FOTOC和OTOC

图  LMG模型中量子信息与量子计量参数的比较

参考文献：

ZEYANG LI, et al. Improving metrology with quantum scrambling. Science, 2023, 380(6652): 1381-1384.

DOI: 10.1126/science.adg9500

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9500