近日，南方科技大学理学院物理系、量子科学与工程研究院教授范靖云，量子科学与工程研究院副研究员李正达，物理系研究助理教授毛亚丽与合作者在量子基础物理问题研究中取得重要进展，他们首次获得关于多个物理观测量联合测量的紧致约束关系，并开展了实验验证，相关实验工作以“Testing Heisenberg-Type Measurement Uncertainty Relations of Three Observables”为题发表在学术期刊Physical Review Letters。

海森堡测不准原理是量子物理与经典物理最显著的区分之一，是量子物理的基石。海森堡测不准原理体现了不同量子测量之间的不相容性，即对于不同物理观测量的测量会相互干扰。关于两个量子测量之间不相容性的研究已经非常系统和深入，其主要结果包括著名的海森堡不确定关系已经成为量子信息科学和量子测量的基础，因而引发了人们进一步探索多个量子测量间不相容性的强烈兴趣。其中，关于多个物理观测量的联合测量是长期以来一个悬而未决的问题。

南方科技大学毛亚丽等科研人员自2019年以来，持续对这一问题进行了深入研究。他们与中国科学技术大学郁司夏教授合作，系统性地发展了理论和凸优化数值工具, 首次发现了多个物理量联合测量误差的紧致下界，相应的量子态和实验测量算符。他们设计了一种创新性的最优测量实现方式，并依托光量子比特进行了系统性的实验验证。此外，他们还进一步启发性地讨论了多物理量连续测量与联合测量的关系。

该成果不仅拓宽了人们对海森堡测不准原理的研究，丰富了人们对量子力学的认识，还为深入研究量子精密测量、量子随机数的产生和量子多方关联等量子信息科学的多个方向提供了新的工具。

图（a）为利用三个可联合测量的POVM近似三个可观测量的示意图 图（b）为三个可观测量实现最优联合测量的光学实验装置 图（c）为可调分光比的分束器装置

该论文的第一作者为南科大理学院物理系研究助理教授毛亚丽，通讯作者为南科大物理系、量子科学与工程研究院教授范靖云，量子科学与工程研究院副研究员李正达以及中国科学技术大学教授郁司夏。南科大为论文第一单位。同时，该研究的相关理论工作以“Measurement uncertainty relation for three observables”为题发表于学术期刊Physical Review A。 本研究得到了广东省珠江领军人才计划、深圳市鹏城学者、广东省重点领域研发计划、广东省珠江创新创业团队、国家自然科学基金委、广东省量子科学与工程重点实验室、深圳市科技创新委员会、南科大深圳量子科学与工程研究院和南科大物理系高水平光学平台的大力资助。

论文链接:

实验文章：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.150203

理论文章：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.042208