纠缠增强的量子锁相测量获进展

近日，中国科学院精密测量院束缚体系量子信息处理研究团队与中山大学、深圳大学等单位合作，基于精密测量院囚禁离子量子信息实验平台，首次实验实现了基于纠缠增强的量子锁相探测技术，成功将测量精度提升至量子力学所允许的极限——海森堡极限。该研究成果12月6日发表于《自然-通讯》。

纠缠增强量子锁相探测原理示意图。精密测量院供图

在精密测量中，锁相放大技术被广泛应用于从噪声背景中提取微弱交流信号。传统锁相探测通过“混频”将目标信号与参考信号频率对齐，再通过“滤波”抑制噪声，从而在强噪声背景下提取出微弱的交流信号。近年来发展的量子锁相探测技术，利用量子系统特有的相干特性，通过非对易的量子调制和系统的时间演化来实现信号的提取与噪声的抑制。这一方法已在单粒子量子系统中得到实验验证。

然而，仅依靠量子相干性难以突破标准量子极限。理论研究表明，利用纠缠态作为探测载体，有望突破该限制，将测量精度从标准量子极限提升至更高的海森堡极限。该研究团队首次将量子纠缠引入量子锁相探测过程，探索了多体纠缠在提升测量精度方面的潜力。实验中使用两个囚禁的钙离子，通过高精度调控制备出最大纠缠态，并结合周期性多脉冲序列作为量子参考信号，实现了对目标交流磁场的锁相探测。实验结果表明，使用纠缠态时，频率测量精度接近海森堡极限，显著优于使用非纠缠态时达到的标准量子极限。

值得关注的是，该量子锁相探测技术还展示出独特的“逆二次方时间标度”特性，即测量精度随累积时间的平方反比提升，这比传统方法的线性提升具有明显优势。为提高技术实用性，该研究团队进一步开发了优化的脉冲序列，有效抑制了转动角度误差和失谐误差等常见实验干扰，使系统在非理想实验条件下仍保持了较高的测量精度。

这项成果在国际上首次实验实现了纠缠增强技术与量子锁相测量技术的结合，实现了突破标准量子极限的含时信号测量，推进了量子纠缠精密测量技术的发展，不仅为未来研制高精度量子传感器、开发新型量子探测装置开辟了新的技术路径，也对推动量子信息和量子物理基础研究具有重要意义。