物理与电子科学学院任昌亮教授课题组提出兼顾高精度与稳定性的量子三维定位新方案

（通讯员 任昌亮）近日，物理与电子科学学院任昌亮教授课题组在量子精密测量领域取得重要新进展。课题组与合作者提出了一种基于光子复合维度可调谐的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉3D定位理论方案，该方案能够保证同时实现高精度和高稳定性的3D量子定位。相关成果以“Stable and High-Precision 3D Positioning via Tunable Composite-Dimensional Hong-Ou-Mandel Interference”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

许多量子度量方案的研究主要聚焦于通过量子费舍尔信息（quantum Fisher information, QFI）优化估计精度，目标是在理论上达到量子极限——量子克拉美罗界（quantum Cramér–Rao bound, QCRB），从而展示量子增强测量的潜在优势。然而，众所周知，这一极限在实际实验中并不总是可以达到，其实现往往受到物理环境、测量选择以及鲁棒性等因素的显著制约。不同于已被深入研究的标准单参数相位估计问题，在许多现实相关的多参数估计任务中（例如空间定位与成像），由 QFI 所刻画的最优精度本身可能依赖于待估计的参数值。这种参数依赖性会导致估计精度在参数空间中发生显著波动，从而削弱测量方案的稳定性，并在不同参数之间引入不可避免的精度权衡，严重限制其实用性。以量子定位为例，定位精度通常随目标位置而变化，使得理论上的最优灵敏度在实际应用中往往难以稳定实现。

在此背景下，课题组提出了一种基于维度可调谐 HOM干涉的三维量子定位方案，用于精确估计两个点光源之间的空间镜像间距。该方案系统地利用光子的频率、动量和偏振等多个自由度对 HOM 干涉行为的影响，通过对干涉光子进行联合采样，实现对光子空间间距的高精度估计。其核心创新在于从量子计量学的视角揭示了偏振控制在保证估计稳定性方面的关键作用：通过简单而可行的偏振调控，可以有效消除量子费舍尔信息对待估计参数的依赖性，从而在整个参数空间内实现位置无关的稳定测量精度。研究结果表明，该方案仅需探测少量光子，便可在三维空间中实现极高的定位精度。该方法从根本上抑制了多参数估计中常见的精度漂移问题，并能够达到量子精度极限，为兼顾高精度与高稳定性的实用量子计量方案提供了一条新的实现路径。

我校为论文的第一通讯单位。论文第一作者为我校博士研究生李勇强，共同通讯作者为南方科技大学鲁大为教授。该工作获得了国家高层次青年人才项目，国家自然科学基金创新群体研究项目、重点项目、面上项目，湖南省自然科学基金，我校“潇湘学者“科研启动经费等基金的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yzg1-3dfk

编辑：刘金凤 黄好

责编：马铁泉

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