量子传感实验室在量子增强光力传感网络领域取得新突破
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在量子增强光力传感网络研究中取得重要突破。该研究团队首次实验实现了基于四组分纠缠态的分布式光力传感网络，成功观测到随着传感器数量增加而增加的量子优势。这项突破不仅将分布式量子传感技术推向新高度，也为微震定位、暗物质探测等前沿领域提供了技术支撑。相关成果以“Quantum-enhanced optomechanical sensor network”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。论文通讯作者为山西大学郑耀辉教授和李卫副教授，论文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
连续变量分布式量子传感是将多个传感器与量子资源（如纠缠与压缩态）有效结合的量子计量方案。该方案一方面能够借助量子资源突破量子噪声极限，实现灵敏度增强；另一方面，通过多个传感器的联合探测，可在参数估计精度上达到海森堡极限。分布式量子传感能够克服单个传感器在可扩展性、目标定位能力以及多参数探测等方面的固有局限，为灾害预警、资源勘探和军事防御等应用领域带来了概念创新与技术跨越。然而，目前该领域的研究仍多依赖于电光调制器和波片等光学元件产生的模拟信号，尚未在实际应用场景中得到验证。
光力传感器作为一种具有高实用前景的精密测量工具，正受到广泛关注。基于光场与机械振子的相互作用，光力传感器能够实现对位移、加速度、质量、磁场等物理量的高精度测量，并已在引力波探测等前沿科学任务中发挥关键作用。将光力系统与分布式量子传感方案相结合，有望进一步推动量子传感技术从实验室走向实际应用。
本研究首次实验演示了由四个性能高度一致的光力传感器和最大四组分纠缠态构成的量子增强光力传感网络，验证了分布式量子传感优势随传感器数量增加而增加。通过精确调控光学谐振腔腔长、薄膜与镜片反射率以及薄膜固定方式等关键参数，研究团队实现了光力耦合强度、光学衰减率与机械衰减率的高度一致性，最终构建出不一致性小于2.4%的光力传感网络。在非相干力的测量中，与分离方案相比，纠缠网络能够实现33.7%的分辨率提升。
创新研究
图1 实验装置图
创新1：制备四组分纠缠态
研究团队采用工作在阈值以下的双共振光学参量腔，通过泵浦光稳定其腔长，并将泵浦光与种子光之间的相对相位锁定为零，成功制备出压缩度为-7.1 dB的明亮位相压缩态光场。基于分束器理论模型，制备四组分纠缠态的三个分束器的最佳分束比分别为25:75、33:67和50:50。最后，利用四组分纠缠态分别驱动四个光力传感器，整个实验装置如图1所示。
创新2：构建高一致性传感器
每个光力传感器均由氮化硅薄膜和高反射率镜片组成，并至于10-6 Torr的高真空环境中。研究团队通过精密调控探针光在薄膜上的光斑尺寸与入射位置、光学腔长以及薄膜与镜片的反射率，实现了机械衰减率、光力耦合强度和光学衰减率的高度一致。最终制备的四个传感器性能差异最大仅为2.4%，为构建大规模光力传感网络奠定了基础。
创新3：观测分布式量子传感优势
图2 归一化噪声功率谱密度
由于力的信息编码在光场的位相分量，因此使用平衡零拍探测器对其位相噪声功率谱密度进行探测，如图2所示，其对应的（5, 6）模式共振频率分别为4.276 MHz，4.301 MHz，4.338 MHz和4.365 MHz。图2 (a-d)表示相同光子数条件下的分离方案的测量结果，其非共振频率处测量的噪声低于散粒噪声基准0.8 dB。在纠缠网络方案中，由于四个子模间的纠缠特性，联合测量噪声低于散粒噪声基准3.7 dB，如图2 (e)所示。研究还系统测量了包含两个和三个传感器时的噪声功率谱密度。基于这些测量结果，我们分别获得了两种方案下的均方根误差（图3 (a)）和分布式量子传感优势（图3 (b)）。当使用四个光力传感器时，分离方案的均方根误差为 0.160±0.002，纠缠网络方案的均方根误差为=0.130±0.002，实验获得的量子优势为23.7%。当采用两个和三个传感器时，实验获得的量子优势分别为8.9%和17.8%。
图3 均方根误差和分布式量子传感优势
创新4：实现力分辨率提升
为验证该网络的实际应用潜力，研究团队进一步将其应用于非相干力的测量。实验结果显示，在机械共振频率处，采用相干光探测方案可实现的最小力分辨率为6.7 fN/Hz1/2。由四个光力传感器构成的传感网络中，在非共振频率下，分离方案的力分辨率比相干方案提升4.5%，而纠缠网络方案的力分辨率比分离方案提升高达33.7%。更重要的是，根据力分辨率与机械极化率的关系，我们能实时监测每个传感器的工作状态。
图4 非相干力分辨率估计
总结与展望
本研究攻克了制约网络规模扩展的光力传感器一致性、高压缩度量子光源等关键技术，成功构建了基于四组分纠缠态的量子增强光力传感网络，并获得了随传感器数量增加而增加的量子优势，为大规模量子传感网络的实现铺平了道路。未来，通过进一步扩大网络规模，有望获得更显著的量子优势与更深入的物理洞察，为微震源定位、暗物质探测等前沿科学研究提供关键技术支撑。
