在引力波探測器LIGO的千米級干涉儀中，一束特殊的光正悄然改變?nèi)祟惛兄钪娴木取?dāng)其他光源因量子噪聲而止步于標(biāo)準(zhǔn)量子極限時，這束壓縮態(tài)光卻將探測靈敏度提升了3.5dB，最終助力人類首次捕捉到黑洞合并產(chǎn)生的時空漣漪。這一切，都源于一門正在重塑測量科學(xué)的顛覆性技術(shù)：光量子精密測量。
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一、為什么我們需要量子測量？
測量是人類認知世界的基礎(chǔ)。從伽利略的脈搏計數(shù)擺錘周期，到現(xiàn)代光干涉儀測量納米級位移，每一次測量精度的突破都催生了科學(xué)革命。然而，經(jīng)典測量面臨一道無法逾越的鴻溝：標(biāo)準(zhǔn)量子極限（SQL）。
當(dāng)使用N個獨立光子進行測量時，精度只能以√N的速度提升。這意味著若要精度提高10倍，就需要100倍的光子數(shù)——對于引力波探測這類需要極高精度的場景，所需能量足以熔化探測器本身。
量子精密測量的核心思想在于：利用量子糾纏與壓縮等特性，讓N個光子“協(xié)同工作”，使測量精度以N倍提升，突破SQL限制，逼近量子力學(xué)允許的最終極限——海森堡極限(HL)。
根據(jù)王斌與張利劍團隊在《中國激光》2024年的特邀綜述，量子精密測量已從理論走向應(yīng)用，在引力波探測、生物成像、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域展現(xiàn)出變革性潛力。
二、量子精密測量的工作原理
量子測量的過程可抽象為四個關(guān)鍵步驟（圖1）：
1.制備探測態(tài)：制備具有量子特性的初始態(tài)（如壓縮態(tài)、糾纏態(tài)）
2.參數(shù)耦合：讓探測態(tài)與待測系統(tǒng)相互作用，將參數(shù)信息編碼至量子態(tài)
3.量子測量：對編碼后的量子態(tài)進行測量
4.經(jīng)典估計：根據(jù)測量結(jié)果通過算法提取參數(shù)值
圖1：量子精密測量的四個步驟
其中，量子費希爾信息（QFI） 決定了量子態(tài)所能達到的理論最高精度，而實際精度則通過優(yōu)化測量方案逼近這一極限。
三、光學(xué)干涉儀：量子測量的主戰(zhàn)場
光學(xué)干涉儀是量子精密測量最典型的應(yīng)用平臺。其中馬赫-曾德爾干涉儀（MZI） 成為研究相位測量的標(biāo)準(zhǔn)模型（圖2）。
圖2：MZI干涉儀基本結(jié)構(gòu)
經(jīng)典極限的突破之路
1.相干態(tài)輸入：達到SQL，精度Δφ～1/√N
2.壓縮態(tài)輸入：突破SQL，精度提升3–6 dB
3.NOON態(tài)輸入：達到HL，Δφ～1/N
NOON態(tài)（如(|2,0⟩+|0,2⟩)/√2）是光學(xué)干涉儀中的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，但其制備難度隨光子數(shù)指數(shù)增長。目前實驗已實現(xiàn)4光子NOON態(tài)，但更高光子數(shù)態(tài)仍需通過后選擇方式制備。
2017年，Slussarenko團隊利用低損耗光學(xué)元件和高效率探測器，首次實現(xiàn)了無條件突破SQL的相位測量，其系統(tǒng)總體效率η_total·V²·N≈1.23，標(biāo)志著量子增強測量從演示走向?qū)嵱谩?/span>
四、應(yīng)對現(xiàn)實挑戰(zhàn)：噪聲與損耗
理想量子優(yōu)勢常在噪聲面前潰敗。例如NOON態(tài)雖在無噪環(huán)境下能達到HL，但當(dāng)存在光子損耗時，其性能甚至劣于經(jīng)典方案。
抗噪聲解決方案：
1.Holland-Burnett態(tài)：比NOON態(tài)更抗損耗，易于制備
2.SU(1,1)干涉儀：用參量放大器替代分束器，提升噪聲魯棒性
3.分布式傳感：利用多模式糾纏同時估計多個參數(shù)
圖3：存在損耗的干涉儀模型
五、多參數(shù)測量：量子優(yōu)勢的新前沿
現(xiàn)實測量任務(wù)往往涉及多個參數(shù)。量子測量在多參數(shù)同時估計方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：
相位與損耗聯(lián)合測量：2019年Albarelli團隊給出了損耗與相位聯(lián)合測量的霍萊沃-克拉美-羅界（HCRB）
分布式相位傳感：2021年潘建偉團隊利用六光子糾纏實現(xiàn)分布式傳感，誤差比SQL降低2.7 dB
多參數(shù)測量的核心挑戰(zhàn)在于參數(shù)間的精度制約關(guān)系——某些參數(shù)對無法同時達到最優(yōu)精度，需要根據(jù)應(yīng)用需求進行權(quán)衡。
六、超越相位測量：量子成像與超分辨
量子精密測量不僅革新相位測量，更在成像領(lǐng)域突破經(jīng)典極限。
量子超分辨成像
經(jīng)典光學(xué)中，瑞利判據(jù)限制了光學(xué)系統(tǒng)的分辨率極限。2016年Tsang等人發(fā)現(xiàn)：雖然強度測量在光源間距趨近零時Fisher信息趨于零（瑞利詛咒），但量子費希爾信息始終保持恒定——意味著存在突破瑞利極限的量子測量方案。
圖4：經(jīng)典成像中的瑞利判據(jù)
2016年，Paúr團隊通過干涉全息技術(shù)首次實驗實現(xiàn)了對兩個非相干點光源間距的量子增強估計，開啟了量子成像新紀(jì)元。
七、未來展望：從實驗室到工程應(yīng)用
量子精密測量正從基礎(chǔ)研究走向?qū)嵱没?
1.集成光學(xué)平臺：光量子芯片技術(shù)有望實現(xiàn)干涉儀的小型化與規(guī)模化
2.混合量子系統(tǒng)：結(jié)合原子、固態(tài)系統(tǒng)提升測量魯棒性
3.人工智能優(yōu)化：機器學(xué)習(xí)用于優(yōu)化測量方案和參數(shù)估計
張利劍團隊指出：“光子作為優(yōu)異的信息載體，非常適合應(yīng)用于量子精密測量。未來需要在理論和實驗上更全面、細致地開展研究，推動光量子傳感的發(fā)展。”
結(jié)語：測量新時代的到來
當(dāng)LIGO利用壓縮光將探測靈敏度推向量子極限時，當(dāng)量子成像技術(shù)突破瑞利詛咒時，我們正見證一場測量科學(xué)的革命。光量子精密測量不僅帶來了精度數(shù)量級的提升，更從根本上改變了我們感知世界的方式。
從微觀粒子到宇宙天體，從生物細胞到導(dǎo)航系統(tǒng)，量子增強測量正在重新定義人類感知的邊界。這場革命才剛剛開始——隨著量子光源、探測技術(shù)和信息處理算法的進步，量子精密測量必將成為未來科技不可或缺的基石。
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