【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“量子院”)智能量子計(jì)算與模擬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所等多家單位，提出并實(shí)現(xiàn)了一套完整的量子增強(qiáng)傳感方案。該方案基于超導(dǎo)量子比特 Stark-Wannier 局域化平臺(tái)，將量子臨界性與非平衡動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，并配合簡(jiǎn)單計(jì)算基測(cè)量和時(shí)域聯(lián)合貝葉斯估計(jì)策略，在較寬參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了量子增強(qiáng)傳感，成功獲得了隨演化時(shí)間接近海森堡極限的精度標(biāo)度。2026年6月30日，相關(guān)成果以“基于超導(dǎo)量子比特的非平衡臨界增強(qiáng)量子傳感”(Non-equilibrium criticality-enhanced quantum sensing with superconducting qubits)為題，發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)，并被選為當(dāng)期封面。
 

　　量子傳感技術(shù)利用量子系統(tǒng)獨(dú)特的物理特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的超高靈敏探測(cè)，在科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。相較于經(jīng)典傳感方案，量子增強(qiáng)傳感有望使測(cè)量精度隨探針規(guī)?；蜓莼瘯r(shí)間呈現(xiàn)超線性提升，甚至接近或達(dá)到海森堡標(biāo)度。圍繞這一目標(biāo)，目前已有多種增強(qiáng)機(jī)制，包括利用糾纏態(tài)提升靈敏度、利用量子臨界點(diǎn)附近對(duì)參數(shù)擾動(dòng)的強(qiáng)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)臨界增強(qiáng)，以及利用非平衡動(dòng)力學(xué)將演化時(shí)間轉(zhuǎn)化為傳感資源。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)技術(shù)通常面臨噪聲干擾、退相干效應(yīng)以及量子態(tài)制備與測(cè)量復(fù)雜等挑戰(zhàn)。因此，如何在現(xiàn)有量子硬件上將不同增強(qiáng)機(jī)制取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)展兼具高精度、寬參數(shù)適用范圍和簡(jiǎn)單測(cè)量流程的傳感方法，是當(dāng)前亟需解決的重要課題。
 

　　圍繞“如何在現(xiàn)有量子硬件上同時(shí)利用量子臨界性和非平衡動(dòng)力學(xué)提升傳感精度”這一問題，研究團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子比特平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)由9個(gè)量子比特組成的 Stark-Wannier 局域化量子鏈探針。該體系中，相鄰量子比特之間的激發(fā)隧穿與線性梯度場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)，使系統(tǒng)可在擴(kuò)展相、臨界點(diǎn)附近和局域相之間連續(xù)調(diào)控：在擴(kuò)展相中，量子激發(fā)可在全鏈范圍內(nèi)傳播；進(jìn)入局域相后，其動(dòng)力學(xué)演化被限制在局部區(qū)域。由于外部梯度場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)直接改變系統(tǒng)量子激發(fā)的傳播動(dòng)力學(xué)，這一過程可作為反推出場(chǎng)強(qiáng)信息的傳感資源。
 

　　實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先在量子比特鏈中心制備單個(gè)量子激發(fā)，使其在可控梯度場(chǎng)下發(fā)生非平衡演化，并通過計(jì)算基測(cè)量記錄在各個(gè)量子比特上的激發(fā)概率分布隨時(shí)間的變化。不同梯度場(chǎng)強(qiáng)度下，量子激發(fā)會(huì)表現(xiàn)出全鏈擴(kuò)展傳播、臨界點(diǎn)附近跨越全鏈的布洛赫振蕩，以及局域相中的受限振蕩等不同動(dòng)力學(xué)特征。通過對(duì)這些時(shí)空傳播圖樣進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部梯度場(chǎng)強(qiáng)的精確估計(jì)，并驗(yàn)證了整個(gè)擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)的臨界區(qū)域相較于局域相對(duì)應(yīng)的非臨界區(qū)域具有更優(yōu)的傳感性能，體現(xiàn)了量子臨界性對(duì)傳感精度的增強(qiáng)作用。
 

　　為避免傳統(tǒng)臨界增強(qiáng)傳感中對(duì)復(fù)雜最優(yōu)測(cè)量基的依賴，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了時(shí)域聯(lián)合貝葉斯估計(jì)方法。該方法不再依賴單一時(shí)刻的測(cè)量結(jié)果，而是將多個(gè)演化時(shí)刻獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合起來構(gòu)建后驗(yàn)概率分布，從而有效減少單時(shí)刻估計(jì)可能產(chǎn)生的多峰歧義，在有限采樣數(shù)下獲得更準(zhǔn)確、更穩(wěn)健的參數(shù)估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使僅采用簡(jiǎn)單的計(jì)算基測(cè)量，該方案仍可在時(shí)域維度上獲得接近海森堡極限的精度標(biāo)度。研究團(tuán)隊(duì)還在雙激發(fā)子空間中進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性，顯示出該傳感方案可向物理更豐富的量子多體探針拓展。
 

　　該研究將量子臨界性帶來的高靈敏響應(yīng)與非平衡動(dòng)力學(xué)提供的時(shí)間資源統(tǒng)一到同一超導(dǎo)量子傳感器中，并通過時(shí)域聯(lián)合估計(jì)策略降低了對(duì)復(fù)雜初態(tài)制備和最優(yōu)測(cè)量基的依賴，為在較寬參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更具實(shí)驗(yàn)可行性的高精度量子傳感提供了新的思路。未來，這一思路有望拓展到傾斜光晶格中的重力測(cè)量，以及離子阱、量子點(diǎn)陣列等帶電粒子體系中的電場(chǎng)傳感，為發(fā)展更實(shí)用的量子增強(qiáng)傳感技術(shù)提供新的實(shí)驗(yàn)路徑。
 

　　該論文第一作者為量子院博士后李浩(已出站)和電子科技大學(xué)博士生楊曜菱。通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所相忠誠副主任工程師、量子院黃凱旋助理研究員、電子科技大學(xué)Abolfazl Bayat教授，以及量子院兼聘/中國科學(xué)院物理研究所范桁研究員。文章合作者還包括中國科學(xué)院物理研究所副研究員許凱、宋小會(huì)，博士后時(shí)運(yùn)豪、劉宇、梁珪涵，博士生馬衛(wèi)國、李天銘、張佳馳、方才平、宋嘉程、劉皓天、周思耘、劉政和、陳炳杰；量子院助理研究員王正安、鄧承林，博士后王子婷(已出站)、徐越山(已出站)，高級(jí)工程師張翼鵬、趙魁，工程師李金濤。
 

　　文章特別致謝德國奧格斯堡大學(xué)博士后孫政杭和電子科技大學(xué)博士生何行健在理論方面具有啟發(fā)性的討論，也感謝華南理工大學(xué)教授張煜然和量子院助理研究員王永逸在數(shù)據(jù)分析方面提出的寶貴建議。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金、量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃、北京市科技新星計(jì)劃、北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才支持計(jì)劃基礎(chǔ)研究人才項(xiàng)目、北京市“高創(chuàng)計(jì)劃”青年人才托舉工程、北京凝聚態(tài)物理國家研究中心開放課題和中國博士后科學(xué)基金等的資助。
 

　　引用：我院與合作者在非平衡臨界增強(qiáng)的量子傳感研究中取得重要進(jìn)展 【引用時(shí)間：2026年6月30日】