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近日，精密測量院束縛體系量子信息處理研究團隊與中山大學(xué)、深圳大學(xué)等單位合作，基于精密測量院囚禁離子量子信息實驗平臺，首次實驗實現(xiàn)了基于糾纏增強的量子鎖相探測技術(shù)，成功將測量精度提升至量子力學(xué)所允許的極限——海森堡極限。該研究成果于2025年12月6日發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）上。
在精密測量中，鎖相放大技術(shù)被廣泛應(yīng)用于從噪聲背景中提取微弱交流信號。傳統(tǒng)鎖相探測通過“混頻”將目標信號與參考信號頻率對齊，再通過“濾波”抑制噪聲，從而在強噪聲背景下提取出微弱的交流信號。近年來發(fā)展的量子鎖相探測技術(shù)，利用量子系統(tǒng)特有的相干特性，通過非對易的量子調(diào)制和系統(tǒng)的時間演化來實現(xiàn)信號的提取與噪聲的抑制。這一方法已在單粒子量子系統(tǒng)中得到實驗驗證。
然而，僅依靠量子相干性難以突破標準量子極限。理論研究表明，利用糾纏態(tài)作為探測載體，有望突破該限制，將測量精度從標準量子極限提升至更高的海森堡極限。研究團隊首次將量子糾纏引入量子鎖相探測過程，探索了多體糾纏在提升測量精度方面的潛力。實驗中使用兩個囚禁的鈣離子，通過高精度調(diào)控制備出最大糾纏態(tài)，并結(jié)合周期性多脈沖序列作為量子參考信號，實現(xiàn)了對目標交流磁場的鎖相探測。實驗結(jié)果表明，使用糾纏態(tài)時，頻率測量精度接近海森堡極限，顯著優(yōu)于使用非糾纏態(tài)時達到的標準量子極限。
糾纏增強量子鎖相探測原理示意圖。（a）從初始化探針到最終探測的實驗時序；（b）糾纏態(tài)（紅）與非糾纏態(tài)（藍）的脈沖周期依賴的宇稱；（c）糾纏態(tài)（紅）與非糾纏態(tài)（藍）在測量精度上的對比，顯示糾纏態(tài)逼近海森堡極限
值得關(guān)注的是，該量子鎖相探測技術(shù)還展示出獨特的“逆二次方時間標度”特性，即測量精度隨累積時間的平方反比提升，這比傳統(tǒng)方法的線性提升具有明顯優(yōu)勢。為提高技術(shù)實用性，研究團隊進一步開發(fā)了優(yōu)化的脈沖序列，有效抑制了轉(zhuǎn)動角度誤差和失諧誤差等常見實驗干擾，使系統(tǒng)在非理想實驗條件下仍保持了較高的測量精度。
這項成果在國際上首次實驗實現(xiàn)了糾纏增強技術(shù)與量子鎖相測量技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了突破標準量子極限的含時信號測量，推進了量子糾纏精密測量技術(shù)的發(fā)展，不僅為未來研制高精度量子傳感器、開發(fā)新型量子探測裝置開辟了新的技術(shù)路徑，也對推動量子信息和量子物理基礎(chǔ)研究具有重要意義。
該研究以“Entanglement-enhanced quantum lock-in detection achieving Heisenberg scaling”為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。精密測量院博士生王彬、袁文飛與中山大學(xué)副教授章嘉偉、深圳大學(xué)助理教授莊敏為論文共同第一作者。精密測量院副研究員周飛、研究員馮芒與深圳大學(xué)教授李朝紅為論文共同通訊作者。
該研究得到國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金項目和重大研究計劃培育項目等項目的資助。
文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-66828-z