在引力波探测器LIGO的千米级干涉仪中，一束特殊的光正悄然改变人类感知宇宙的精度——当其他光源因量子噪声而止步于标准量子极限时，这束压缩态光却将探测灵敏度提升了3.5dB，最终助力人类首次捕捉到黑洞合并产生的时空涟漪。这一切，都源于一门正在重塑测量科学的颠覆性技术：光量子精密测量。

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一、为什么我们需要量子测量？

测量是人类认知世界的基础。从伽利略的脉搏计数摆锤周期，到现代光干涉仪测量纳米级位移，每一次测量精度的突破都催生了科学革命。然而，经典测量面临一道无法逾越的鸿沟：标准量子极限（SQL）。

当使用N个独立光子进行测量时，精度只能以√N的速度提升。这意味着若要精度提高10倍，就需要100倍的光子数——对于引力波探测这类需要极高精度的场景，所需能量足以熔化探测器本身。

量子精密测量的核心思想在于：利用量子纠缠与压缩等特性，让N个光子“协同工作”，使测量精度以N倍提升，突破SQL限制，逼近量子力学允许的最终极限——海森堡极限(HL)。

根据王斌与张利剑团队在《中国激光》2024年的特邀综述，量子精密测量已从理论走向应用，在引力波探测、生物成像、导航定位等领域展现出变革性潜力。

二、量子精密测量的工作原理

量子测量的过程可抽象为四个关键步骤（图1）：

1.制备探测态：制备具有量子特性的初始态（如压缩态、纠缠态）

2.参数耦合：让探测态与待测系统相互作用，将参数信息编码至量子态

3.量子测量：对编码后的量子态进行测量

4.经典估计：根据测量结果通过算法提取参数值

图1：量子精密测量的四个步骤

其中，量子费希尔信息（QFI） 决定了量子态所能达到的理论最高精度，而实际精度则通过优化测量方案逼近这一极限。

三、光学干涉仪：量子测量的主战场

光学干涉仪是量子精密测量最典型的应用平台。其中马赫-曾德尔干涉仪（MZI） 成为研究相位测量的标准模型（图2）。

图2：MZI干涉仪基本结构

经典极限的突破之路

1.相干态输入：达到SQL，精度Δφ～1/√N

2.压缩态输入：突破SQL，精度提升3–6 dB

3.NOON态输入：达到HL，Δφ～1/N

NOON态（如(|2,0⟩+|0,2⟩)/√2）是光学干涉仪中的“黄金标准”，但其制备难度随光子数指数增长。目前实验已实现4光子NOON态，但更高光子数态仍需通过后选择方式制备。

2017年，Slussarenko团队利用低损耗光学元件和高效率探测器，首次实现了无条件突破SQL的相位测量，其系统总体效率η_total·V²·N≈1.23，标志着量子增强测量从演示走向实用。

四、应对现实挑战：噪声与损耗

理想量子优势常在噪声面前溃败。例如NOON态虽在无噪环境下能达到HL，但当存在光子损耗时，其性能甚至劣于经典方案。

抗噪声解决方案：

1.Holland-Burnett态：比NOON态更抗损耗，易于制备

2.SU(1,1)干涉仪：用参量放大器替代分束器，提升噪声鲁棒性

3.分布式传感：利用多模式纠缠同时估计多个参数

图3：存在损耗的干涉仪模型

五、多参数测量：量子优势的新前沿

现实测量任务往往涉及多个参数。量子测量在多参数同时估计方面展现出独特优势：

相位与损耗联合测量：2019年Albarelli团队给出了损耗与相位联合测量的霍莱沃-克拉美-罗界（HCRB）

分布式相位传感：2021年潘建伟团队利用六光子纠缠实现分布式传感，误差比SQL降低2.7 dB

多参数测量的核心挑战在于参数间的精度制约关系——某些参数对无法同时达到最优精度，需要根据应用需求进行权衡。

六、超越相位测量：量子成像与超分辨

量子精密测量不仅革新相位测量，更在成像领域突破经典极限。

量子超分辨成像

经典光学中，瑞利判据限制了光学系统的分辨率极限。2016年Tsang等人发现：虽然强度测量在光源间距趋近零时Fisher信息趋于零（瑞利诅咒），但量子费希尔信息始终保持恒定——意味着存在突破瑞利极限的量子测量方案。

图4：经典成像中的瑞利判据

2016年，Paúr团队通过干涉全息技术首次实验实现了对两个非相干点光源间距的量子增强估计，开启了量子成像新纪元。

七、未来展望：从实验室到工程应用

量子精密测量正从基础研究走向实用化：

1.集成光学平台：光量子芯片技术有望实现干涉仪的小型化与规模化

2.混合量子系统：结合原子、固态系统提升测量鲁棒性

3.人工智能优化：机器学习用于优化测量方案和参数估计

张利剑团队指出：“光子作为优异的信息载体，非常适合应用于量子精密测量。未来需要在理论和实验上更全面、细致地开展研究，推动光量子传感的发展。”

结语：测量新时代的到来

当LIGO利用压缩光将探测灵敏度推向量子极限时，当量子成像技术突破瑞利诅咒时，我们正见证一场测量科学的革命。光量子精密测量不仅带来了精度数量级的提升，更从根本上改变了我们感知世界的方式。

从微观粒子到宇宙天体，从生物细胞到导航系统，量子增强测量正在重新定义人类感知的边界。这场革命才刚刚开始——随着量子光源、探测技术和信息处理算法的进步，量子精密测量必将成为未来科技不可或缺的基石。