要實(shí)驗(yàn)證明該理論主要有兩大挑戰(zhàn)。首先，量子芝諾效應(yīng)雖然廣泛存在于各種量子系統(tǒng)中，但利用它提高量子精密測量的精度需要知道完整的系統(tǒng)與環(huán)境相互作用信息。其次，為了證實(shí)測量精度能否有n1/4倍的提升，需要較大的量子比特資源，這也加大了實(shí)驗(yàn)的難度。

圖5：Bath-engineering技術(shù)來模擬高精度的非馬爾可夫環(huán)境

為了解決這兩大難題，魯大為團(tuán)隊(duì)采用量子模擬方法來調(diào)制噪聲模型，并應(yīng)用bath-engineering技術(shù)來模擬高精度的非馬爾可夫環(huán)境。類似于經(jīng)典的拉姆齊干涉，研究人員首先將初始態(tài)制備到疊加態(tài)，然后讓其在經(jīng)過時(shí)間調(diào)制的哈密頓量HSB (t)= ω0σz /2 +βz (t)σz下演化，其中βz (t)是隨機(jī)誤差。雖然單次演化依然是幺正的，但可以通過多次實(shí)驗(yàn)取平均值來模擬退相干。Bath-engineering的核心就是在初始的時(shí)候制備大量相同的初態(tài)，并讓它們在不同的哈密頓量HSB (t)下進(jìn)行一段時(shí)間的演化。由于每個初態(tài)感受到的進(jìn)動頻率不一樣，它們最終積累的相位也會不同。將末態(tài)進(jìn)行系綜（時(shí)間）平均，理論上就可以模擬純退相干環(huán)境。

圖6：反式巴豆酸（7比特量子模擬器）

研究人員在核磁共振量子模擬器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，環(huán)境調(diào)制是通過使用多達(dá)7個核自旋量子比特來實(shí)現(xiàn)的。在保證糾纏探針的高保真初始化和讀出的情況下，我們觀察到，使用糾纏探針時(shí)，目標(biāo)磁場的計(jì)量精度正好增強(qiáng)了n1/4倍，達(dá)到了QZE極限。此外，研究人員還設(shè)置了一組沒有噪聲的對照實(shí)驗(yàn)，證明糾纏探針能達(dá)到海森堡極限，使得計(jì)量精度增強(qiáng)了n1/2倍。這些實(shí)驗(yàn)為糾纏增強(qiáng)的量子計(jì)量學(xué)問題建立了一套完整的實(shí)驗(yàn)體系。

圖7：非馬爾可夫噪聲和無噪聲環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用糾纏探針，非馬爾可夫噪聲下的測量精度隨著比特?cái)?shù)n的提升實(shí)現(xiàn)了倍的增強(qiáng)，而無噪聲環(huán)境下（對照實(shí)驗(yàn)）則達(dá)到了海森堡極限r(nóng)=n1/2倍的增強(qiáng)。

在這項(xiàng)工作中，研究人員應(yīng)用了一種無需輔助量子比特的bath-engineering技術(shù), 這節(jié)省了量子比特資源。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程只要求單量子比特繞z軸旋轉(zhuǎn)的操作集合, 這也易于將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到其他物理體系中。本次實(shí)驗(yàn)不僅證明了Chin等人的理論，也為研究人員在其他量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)非馬爾可夫動力學(xué)提供了工具，為今后探索噪聲環(huán)境下的量子精密測量鋪平了道路。

該論文的共同第一作者為南科大物理系2019級博士生龍新月、北京師范大學(xué)博士生何宛亭和重慶郵電大學(xué)講師張娜娜，理論合作者為北京師范大學(xué)副教授艾清，其他合作者包括南方科技大學(xué)研究員李俊和副研究員辛濤等。魯大為和艾清為共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一完成單位。

以上研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委、北京市自然科學(xué)基金、南方科技大學(xué)和北京師范大學(xué)等的大力支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.070502