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人類感知宇宙的精度——當其他光源因量子噪聲而止步于標準量子極限時，這束壓縮態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生的時空漣漪。這一切，都源于一門正在重塑測量科學的顛覆性技術：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。從伽利略的脈搏計數擺錘周期，到現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革命。然而，經典測量面臨一道無法逾越的鴻溝：標準量子極限（SQL）。

當使用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——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“協同工作”，使測量精度以N倍提升，突破SQL限制，逼近量子力學允許的最終極限——海森堡極限(HL)。

根據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用，在引力波探測、生物成像、導航定位等領域展現出變革性潛力。

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鍵步驟（圖1）：

1.制備探測態：制備具有量子特性的初始態（如壓縮態、糾纏態）

2.參數耦合：讓探測態與待測系統相互作用，將參數信息編碼至量子態

3.量子測量：對編碼后的量子態進行測量

4.經典估計：根據測量結果通過算法提取參數值

 

圖1：量子精密測量的四個步驟

其中，量子費希爾信息（QFI） 決定了量子態所能達到的理論最高精度，而實際精度則通過優化測量方案逼近這一極限。

三、光學干涉儀：量子測量的主戰場

光學干涉儀是量子精密測量最典型的應用平臺。其中馬赫-曾德爾干涉儀（MZI） 成為研究相位測量的標準模型（圖2）。

 

圖2：MZI干涉儀基本結構

經典極限的突破之路

1.相干態輸入：達到SQL，精度Δφ～1/√N

2.壓縮態輸入：突破SQL，精度提升3–6 dB

3.NOON態輸入：達到HL，Δφ～1/N

NOON態（如(|2,0⟩+|0,2⟩)/√2）是光學干涉儀中的“黃金標準”，但其制備難度隨光子數指數增長。目前實驗已實現4光子NOON態，但更高光子數態仍需通過后選擇方式制備。

2017年，Slussarenko團隊利用低損耗光學元件和高效率探測器，首次實現了無條件突破SQL的相位測量，其系統總體效率η_total·V²·N≈1.23，標志著量子增強測量從演示走向實用。

四、應對現實挑戰：噪聲與損耗

理想量子優勢常在噪聲面前潰敗。例如NOON態雖在無噪環境下能達到HL，但當存在光子損耗時，其性能甚至劣于經典方案。

抗噪聲解決方案：

1.Holland-Burnett態：比NOON態更抗損耗，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

 

圖3：存在損耗的干涉儀模型

五、多參數測量：量子優勢的新前沿

現實測量任務往往涉及多個參數。量子測量在多參數同時估計方面展現出獨特優勢：

相位與損耗聯合測量：2019年Albarelli團隊給出了損耗與相位聯合測量的霍萊沃-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分布式傳感，誤差比SQL降低2.7 dB

多參數測量的核心挑戰在于參數間的精度制約關系——某些參數對無法同時達到最優精度，需要根據應用需求進行權衡。

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，更在成像領域突破經典極限。

量子超分辨成像

經典光學中，瑞利判據限制了光學系統的分辨率極限。2016年Tsang等人發現：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：經典成像中的瑞利判據

2016年，Paúr團隊通過干涉全息技術首次實驗實現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元。

七、未來展望：從實驗室到工程應用

量子精密測量正從基礎研究走向實用化：

1.集成光學平臺：光量子芯片技術有望實現干涉儀的小型化與規模化

2.混合量子系統：結合原子、固態系統提升測量魯棒性

3.人工智能優化：機器學習用于優化測量方案和參數估計

張利劍團隊指出：“光子作為優異的信息載體，非常適合應用于量子精密測量。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展。”

結語：測量新時代的到來

當LIGO利用壓縮光將探測靈敏度推向量子極限時，當量子成像技術突破瑞利詛咒時，我們正見證一場測量科學的革命。光量子精密測量不僅帶來了精度數量級的提升，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，從生物細胞到導航系統，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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