量子精密测量作为提升测量精度的核心技术，是量子信息科学的关键方向。它利用量子纠缠等资源突破标准量子极限，为基础科研和工程应用（如引力波探测、原子钟标定）带来变革潜力。该领域绝大部分研究集中于单参数估计，近年来，研究重点已逐步扩展至多参数估计场景，目标是在电磁场矢量探测、量子传感网络等应用中实现多个参量同步突破标准量子极限。然而，这面临巨大挑战：其一在于制备对多个参数同时敏感的最优量子态；其二在于设计能在单次测量中高效同步估计所有参数的方案。尽管光学体系已在多参数估计方面取得进展，但这些光学技术难以直接推广至操控更为复杂的物质波体系。尤力团队早在2002年便理论预言了自旋为1的旋量玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中存在特殊的量子压缩态 [Phys. Rev. A 66, 033611 (2002)]，此预言于2012年被佐治亚理工学院Chapman小组在实验中证实 [Nat. Phys. 8, 305 (2012)]。清华大学物理系尤力课题组在2022年取得关键突破：他们在无退相干子空间中成功操控约26400个旋量BEC原子，实现了自旋回声，并创新性地构建了基于自旋-向列压缩演化的等效非线性干涉仪 [Nat. Phys. 19, 1585 (2023)]。该方案对小Rabi转角和Ramsey相位的测量精度分别超越了经典极限15.6±0.5 dB和16.6±1.1 dB，达到国际先进水平。

        此项工作首次在原子BEC中实现了双参数同步估计的突破，两个参数的灵敏度均超越标准量子极限。这延续了该团队在利用旋量BEC实现超越经典精度极限的量子精密测量方面的系统性研究。通过BEC中的非线性自旋交换碰撞过程，团队制备了近乎完美的自旋-向列压缩态。该量子态的独特纠缠特性使其能在两个独立的SU(2)自旋子空间中同时产生量子噪声压缩。实验证实，在估计由沿原子集体自旋两个正交分量（X轴和Y轴）微小转动引入的相位积累时，其灵敏度均超越了标准量子极限。团队设计了一套三段式微波脉冲序列，巧妙地利用F=2超精细能级作为辅助通道，成功在单次实验中同时实现了对原子集体自旋两个正交分量的“零拍探测”。实验在包含约26,500个铷-87原子的系统中进行，结果显示出3.3至6.3 dB的灵敏度增益。这不仅验证了量子纠缠资源在多参数场景下的独特优势，也为原子钟网络同步、量子磁力计和原子陀螺仪等多参数量子估计应用场景提供了新途径。

 

图1 (a)自旋-向列压缩态及其在两个SU(2)子空间的量子压缩。 (b)自旋-向列压缩态对沿着两个正交自旋方向微小转动的联合估计。(c) 利用F=2超精细能级作为辅助通道的微波脉冲序列。

        该成果以“Joint Estimation of a Two-Phase Spin Rotation beyond Classical Limit”为题发表在2025年7月10日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。论文第一作者为北京量子院博士后曹家豪和助理研究员李昕伟，共同通讯作者为清华大学低维量子物理全国重点实验室教授/北京量子院兼聘研究员尤力和北京量子院助理研究员李昕伟，其他合作者还包括清华大学物理系博士生茅天伟（已毕业）和徐文昕。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划"量子调控与量子信息"重点专项的支持。

 

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/n4f7-7vd1