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(lèi)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(shí)，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(lèi)首次捕捉到黑洞合并產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。這一切，都源于一門(mén)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(lèi)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(xué)革命。然而，經(jīng)典測量面臨一道無(wú)法逾越的鴻溝：標準量子極限（SQL）。
當使用N個(gè)獨立光子進(jìn)行測量時(shí)，精度只能以√N的速度提升。這意味著(zhù)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(lèi)需要極高精度的場(chǎng)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(gè)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(lǐng)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(guò)程可抽象為四個(gè)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)）
2.參數耦合：讓探測態(tài)與待測系統相互作用，將參數信息編碼至量子態(tài)
3.量子測量：對編碼后的量子態(tài)進(jìn)行測量
4.經(jīng)典估計：根據測量結果通過(guò)算法提取參數值
圖1：量子精密測量的四個(gè)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(shí)際精度則通過(guò)優(yōu)化測量方案逼近這一極限。
三、光學(xué)干涉儀：量子測量的主戰場(chǎng)
光學(xué)干涉儀是量子精密測量最典型的應用平臺。其中馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（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(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“黃金標準”，但其制備難度隨光子數指數增長(cháng)。目前實(shí)驗已實(shí)現4光子NOON態(tài)，但更高光子數態(tài)仍需通過(guò)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(shí)現了無(wú)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(zhù)量子增強測量從演示走向實(shí)用。
四、應對現實(shí)挑戰：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(wú)噪環(huán)境下能達到HL，但當存在光子損耗時(shí)，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(shí)估計多個(gè)參數
圖3：存在損耗的干涉儀模型
五、多參數測量：量子優(yōu)勢的新前沿
現實(shí)測量任務(wù)往往涉及多個(gè)參數。量子測量在多參數同時(shí)估計方面展現出獨特優(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(shí)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(guān)系——某些參數對無(wú)法同時(shí)達到最優(yōu)精度，需要根據應用需求進(jìn)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(lǐng)域突破經(jīng)典極限。
量子超分辨成像
經(jīng)典光學(xué)中，瑞利判據限制了光學(xué)系統的分辨率極限。2016年Tsang等人發(fā)現：雖然強度測量在光源間距趨近零時(shí)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(zhù)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
2016年，Paúr團隊通過(guò)干涉全息技術(shù)首次實(shí)驗實(shí)現了對兩個(gè)非相干點(diǎn)光源間距的量子增強估計，開(kāi)啟了量子成像新紀元。
七、未來(lái)展望：從實(shí)驗室到工程應用
量子精密測量正從基礎研究走向實(shí)用化：
1.集成光學(xué)平臺：光量子芯片技術(shù)有望實(shí)現干涉儀的小型化與規?；?/span>
2.混合量子系統：結合原子、固態(tài)系統提升測量魯棒性
3.人工智能優(yōu)化：機器學(xué)習用于優(yōu)化測量方案和參數估計
張利劍團隊指出：“光子作為優(yōu)異的信息載體，非常適合應用于量子精密測量。未來(lái)需要在理論和實(shí)驗上更全面、細致地開(kāi)展研究，推動(dòng)光量子傳感的發(fā)展?！?/span>
結語(yǔ)：測量新時(shí)代的到來(lái)
當LIGO利用壓縮光將探測靈敏度推向量子極限時(shí)，當量子成像技術(shù)突破瑞利詛咒時(shí)，我們正見(jiàn)證一場(chǎng)測量科學(xué)的革命。光量子精密測量不僅帶來(lái)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(guān)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(lèi)感知的邊界。這場(chǎng)革命才剛剛開(kāi)始——隨著(zhù)量子光源、探測技術(shù)和信息處理算法的進(jìn)步，量子精密測量必將成為未來(lái)科技不可或缺的基石。
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