近日，美国南加州大学（USC）研究团队在《Nature Communications》期刊发表的最新研究中（DOI：10.1038/s41467-025-58947-4），展示了一项显著超越传统方法的量子传感新技术，该突破有望推动从医学影像到基础物理研究等多个领域的快速发展。
数十年来，量子传感器的性能始终受限于退相干效应——这种由环境噪声引发的不可预测行为会严重干扰量子系统。"退相干效应会导致量子系统状态发生随机紊乱，从而抹去所有量子传感信号，"该研究的通讯作者Eli Levenson-Falk,解释道。他同时担任南加州大学多恩西夫文理学院物理与天文学系副教授，以及维特比工程学院电气与计算机工程系副教授。
量子传感是指利用原子、光子或量子比特等量子系统作为传感器，以超高精度测量物理量（如脑部活动、超精密时钟或重力异常），其测量精度往往超越经典传感器的极限。这类传感设备通过叠加态、量子纠缠和相干性等量子特性，能够探测到传统仪器会被噪声淹没的极微弱信号。
"可以想象成在嘈杂的环境中聆听微弱的耳语，"该研究第一作者、南加州大学多恩西夫文理学院物理学博士生Malida Hecht解释道，"量子传感设备能探测到普通测量工具无法察觉的微小或微弱信号。"
采用新型相干稳定方案抑制退相干效应
在这项创新研究中，团队通过在实验量子比特上应用预先设计的相干稳定方案，暂时克服了长期存在的退相干难题，成功稳定了量子态的一个关键特性。该方案的理论基础由共同作者Daniel Lidar（维特比工程讲席教授，南加州大学电气与计算机工程、化学及物理与天文学三系教授）与电气工程博士生Kumar Saurav共同构建。实验显著提升了量子系统中微小频率变化的测量精度。
Levenson-Falk指出，这种相干稳定传感方案能使量子态变化形式的传感信号，比标准方案测量时获得更大幅度的增强。
这项稳定性突破对于需要探测微弱信号的应用至关重要。"信号越强就越容易检测，从而提升灵敏度，"Levenson-Falk解释道，"我们的研究实现了迄今为止量子比特频率检测的最高灵敏度。最关键的是，该方案无需反馈机制，也不需要额外的控制或测量资源，使其能够立即应用于各类量子计算和量子传感技术中。"
传感能力显著提升
研究团队在超导量子比特上验证了该方案，相比传统的拉姆齐干涉测量标准方案，每次测量的效能最高提升1.65倍。理论分析表明，在某些系统中潜在提升幅度可达1.96倍。
Levenson-Falk指出，这项基于稳定量子态的传感实验证明，无需依赖实时反馈或多传感器纠缠等复杂技术，同样可以提升量子传感器性能。"这也说明我们尚未从这类测量中获取全部可能信息。更优越的传感方案有待开发，将能立即产生实际应用价值。"
研究团队信息：本研究的作者均来自南加州大学，包括Matilda O. Hecht, Kumar Saurav, Evangelos Vlachos, Daniel A. Lidar和Eli M. Levenson-Falk。
此项研究获得了美国陆军研究实验室及陆军研究办公室（合同/资助编号：W911NF2310255）、美国国家科学基金会（资助编号：OMA-1936388，量子飞跃重大挑战计划）、海军研究办公室（资助编号：N00014-21-1-2688）以及科学促进研究公司（科特雷尔奖27550号）的联合支持。实验所用器件由MIT林肯实验室超导量子比特制造中心（SQUILL）提供，制造经费来自物理科学实验室（LPS）量子比特协作项目。
