量子测量的新突破：超越海森堡极限的实验

量子测量是一门利用量子资源（如纠缠和相干）来提高测量精度的技术。它是近期最有前景的量子技术之一。例如，我们可以用量子测量来探测引力波，或者测量微小的距离变化。

量子测量的精度通常受到海森堡极限的限制。如果我们要测量一个参数，比如相位，需要用到N个独立的过程。海森堡极限告诉我们，测量误差的均方根（RMSE）与N成反比，即RMSE~N^-1 。

然而，海森堡极限是否是量子测量的终极极限呢？有没有可能用更少的资源来达到更高的精度呢？近年来，有一些理论方案提出了超越海森堡极限的可能性，例如利用非线性相互作用或者非马尔可夫过程。但是，这些方案通常不适用于N个独立过程的基本场景。而且，有些方案也受到了质疑和争议。

最近，在Nature Physics上发表了一篇论文，报道了一个实验上超越海森堡极限的量子测量方案。这个方案的关键在于利用了一种新奇的量子资源：不确定因果序。即两组独立过程在时间上发生的先后顺序是不确定的，而是处于两种可能顺序的叠加态。这种不确定因果序可以用一个特殊的光学装置来实现，称为因果不可分光学器件。

具体来说，他们使用了一个单光子探针，让它依次通过两个相移器，每个相移器可以给光子施加一个相位变化。这两个相移器可以看作是两组独立过程，每组包含N个相同的相位变化。如果这两组过程发生在一个确定的因果序中，那么最终光子的相位变化就是两组过程的简单叠加。然而，如果这两组过程发生在一个不确定因果序中，那么最终光子的相位变化就会出现一个额外的几何相位，这个几何相位与两组过程之间的交换关系有关。科学家们就是利用这个几何相位作为被测参数，设计了一种超越海森堡量子测量方案。

他们发现，当N增大时，几何相位的测量误差随着N的平方下降，而不是像海森堡极限那样随着N下降。也就是说，这个方案可以达到RMSE~N^-2的精度，比海森堡极限高出一个数量级。这意味着他们可以用更少的资源（如光子数或能量）来达到更高的精度。而且，这个方案只需要一个初始能量与N无关的单光子探针，并且可以抵抗一定程度的噪声和损耗。他们还证明了这种方案在理论上是最优的，即任何使用确定因果序的方案都无法达到这样的精度。

这个实验是在中国科学技术大学进行的，它不仅展示了一种超越海森堡量子测量的方法，也是首次在连续变量系统中实现了不确定因果序。该实验为进一步探索因果不可分光学器件在量子信息和计算中的应用提供了新的可能性，也向我们展示了量子世界中令人惊奇和迷人的现象。