量子传感实验室在量子增强光力传感领域取得新突破

近日，光量子技术与器件全国重点实验室、山西大学光电研究所量子传感实验室研究团队在量子增强光力传感领域取得重要进展。该研究团队提出了一种基于氮化硅薄膜的量子增强光力加速度计，在显著提升加速度分辨率的同时大幅拓宽传感带宽。相关成果以“Quantum-enhanced optomechanical accelerometer”为题，于2025年10月31日发表在《Photonics Research》期刊上。论文通讯作者为山西大学郑耀辉教授，论文第一作者为山西大学光电研究所副教授李卫，共同第一作者为山西大学博士生李庆回。此外，山西大学博士生王宇帆，光电研究所王雅君教授、田龙教授、史少平副研究员均参与了本项工作。

研究背景

加速度测量是重力仪、惯性导航及暗物质探测等高端应用的核心技术，对测量精度的要求极为严苛。传统微机电系统（MEMS）加速度计的分辨率通常处于mg/Hz^1/2至μg/Hz^1/2量级，而腔光力系统通过提升谐振子的质量与品质因子（Q值）的乘积，可将分辨率推进至ng/Hz^1/2甚至pg/Hz^1/2量级。面对多样化的实际应用场景，光力传感系统需同时满足“高分辨率”与“宽带宽”的双重需求，二者的协同优化成为推动该技术走向实用化的关键挑战。然而，光力加速度计的3 dB带宽随Q值的升高而收窄，导致测量分辨率与带宽之间形成一种制约关系，成为加速度计设计中必须解决的核心矛盾。此外，随着微纳加工技术的日益成熟，光力加速度计的灵敏度受限于探针光的量子涨落。压缩态光场因某一正交分量量子涨落低于散粒噪声基准，已在引力波探测、磁力计、生物测量等多个场景成功验证其优势。本研究正是基于这一关键思路，通过将压缩态光场注入光力加速度计，最终实现了“分辨率提升”与“带宽拓宽”的同步突破。该成果的核心机制在于量子压缩态光场降低测量散粒噪声，从而在非共振频率处提高加速度分辨率。其次，量子压缩态光场提高了有效品质因子，降低了有效机械衰减率，从而在共振频率处提升加速度分辨率。

创新研究

图1 实验装置图

研究团队提出并成功演示的量子增强光力加速度计，最大亮点在于将光力加速度计与量子压缩光技术创新性集成。光力加速度计由可调控的高反射率镜片和通过低压化学沉积法制备的氮化硅薄膜构成，整体被置于μTorr级的真空腔内，确保实验环境的稳定性。通过光学参量放大器制备相位压缩态光场作为探针光，再经偏振分束器和四分之一波片传输到加速度计。反射后的探针光会携带加速度信息，与本地振荡光发生干涉，同时控制二者相对位相为π/2，最后由平衡零拍探测器完成探测。

创新1：测量散粒噪声降低+品质因子提升

图2 归一化噪声功率谱密度

图2中蓝色和红色曲线分别代表相干探针光和压缩探针光探测时的归一化噪声功率谱密度。光力加速度计(3,3)、(4,4)、(5,5)和(6,6)机械模式的共振频率分别为2.379 MHz、3.273 MHz、3.966 MHz和4.828 MHz，均与理论预测一致。共振频率处热噪声占主导地位，而远离共振频率处散粒噪声占主导地位。当采用相同功率的压缩探针光探测时，(3,3)、(4,4)、(5,5)和(6,6)机械模式的散粒噪声分别降低1.5 dB、3.0 dB、3.9 dB和4.5 dB，充分体现了量子增强光力加速度计的量子优势。其中(6,6)机械模式的等效品质因子从3.45×10⁵提升至4.02×10⁵。

创新2：加速度分辨率与带宽双突破

图3 不同探针光下的加速度分辨率

图3是由图2中噪声功率谱密度计算得到的高阶(3,3)、(4,4)、(5,5)和(6,6)机械模式的加速度分辨率。其中，蓝色曲线表示使用相干探针光时的加速度分辨率，其最小分辨率为约27 μg/Hz^1/2。相比之下，采用压缩光（红色曲线）后，系统有效光力协同性得到提高，测量散粒噪声显著降低，从而在四个机械模式上同时实现了带宽与加速度分辨率的提升。具体而言，(3,3)、(4,4)和(5,5)机械模式的分辨率分别提升了16.8%、27.9%和32.7%。对于(6,6)机械模式，实验观测到最大高达4.5 dB的量子噪声降低，加速度分辨率提升38.4%。同时，带宽从2.9 kHz扩展到4.5 kHz，拓宽幅度达1.55倍。

总结与展望

本研究成果在(3,3)、(4,4)、(5,5)和(6,6)机械模式上均验证了量子增强光力加速度计的量子优势，且该优势与机械模式的共振频率无关。目前，该装置已实现25 μg/Hz^1/2的最小加速度分辨率。研究团队计划未来通过制备更高品质因子的氮化硅薄膜、优化低温超高真空环境以及设计高精细度谐振腔等方式，进一步将分辨率提升至ng/Hz^1/2量级。该量子增强光力加速度计方案具有良好的可扩展性，可推广至其他腔光力加速度计系统，在超轻暗物质探测、高速运动物体惯性导航、材料内部裂纹与缺陷检测等领域展现出重要应用潜力，为高端量子传感技术的发展开辟了新路径。

论文信息

Wei Li^†, Qinghui Li^†, Yufan Wang, Yajun Wang, Long Tian, Shaoping Shi, Yaohui Zheng*, Quantum-enhanced optomechanical accelerometer, Photonics Res. 13 (11): 3240-3245 (2025).

该研究得到国家自然科学基金和山西省重点研发项目的支持。

相关成果可通过链接https://doi.org/10.1364/PRJ.573361查看。