新加坡国立大学(NUS)的研究人员在量子计量学领域取得了令人振奋的进展。量子计量学利用量子效应，实现了前所未有的高精度测量。他们新开发的协议有望惠及导航和极微弱信号传感等新兴技术。

量子计量学利用量子系统的独特特性，实现远超经典极限的灵敏度。要超越所谓的标准量子极限 (SQL) 并达到终极海森堡极限 (HL)，通常需要高度纠缠的量子态，例如格林伯格-霍恩-泽林格 (GHZ) 态。然而，这些状态的产生、维持和测量极具挑战性，因为它们极易受到环境噪声和读出误差的影响，这成为实际应用的主要障碍。

在新加坡国立大学理学院物理系龚江斌教授的带领下，该研究团队开发了一种能够消除这些障碍的新颖策略。他们的方法利用了周期性驱动自旋系统中的量子共振动力学，这是一个被广泛研究的模型，被称为量子踢陀螺。

他们的协议并非从脆弱的高度纠缠态开始，而是从一个稳健且易于制备的SU(2)自旋相干态开始。通过精确设计的周期性相互作用，这个简单的初始态自然演化为编码量子信息的强纠缠态。在特殊的共振条件下，系统会由于量子递归而恢复到其原始相干态，从而实现简单的制备和稳健的读出。

该研究成果于2025年6月11日发表在《物理评论快报》杂志上。

龚教授表示：“这种往返演化意味着我们可以以稳定的、实验友好的状态开始和结束，同时仍然可以利用通常与更具挑战性的纠缠态相关的量子增强灵敏度。”

研究团队证明，他们的协议达到了海森堡极限的测量精度。量子费舍尔信息(QFI)是决定最佳可实现精度的基本量，其值随粒子数量(自旋)和传感时间的平方增长。

与早期方法不同，这种最优缩放比例可以在较长时间内维持，并且即使在存在马尔可夫噪声(量子系统中常见的环境退相干形式)的情况下也能保持稳健。即使在这样的噪声下，该协议也能保持自旋数的近海森堡缩放比例，这标志着实用量子计量学的重大进步。

该方法的主要优势之一是其实验可行性。该协议可以利用现有的量子硬件(包括基于捕获离子或冷原子的平台)来实现，只需调整操作参数即可，无需专门的设备或复杂的状态准备。

“这项工作表明，超精确的量子测量无需克服通常的困难即可实现。通过避免复杂的状态准备并提高对噪声的抵抗力，我们的方法为实用且可扩展的量子传感开辟了新的可能性。” 龚教授补充道。

这一进展代表了量子计量学概念上的进步，提供了一种实验可行且抗噪声的途径，以实现海森堡极限的测量精度。该协议利用简单初态的量子共振动力学，克服了长期以来状态准备和读出的障碍，为下一代量子传感技术的实际应用铺平了道路。

更多信息： Zhixing Zou 等，《通过量子共振动力学增强量子计量》，《物理评论快报》(2025)。期刊信息： 物理评论快报 、 arXiv