近日，我国科学家在量子传感领域取得重要突破，首次在非幺正光量子行走实验平台上观测到临界点增强的量子传感效应，为我国量子精密测量产业化发展提供了全新技术路径。

  什么是“量子传感”？什么又是“量子行走”？这项研究“激活”了量子测量的什么新本领？

  “量子传感”就像家里的体温计测体温、体重秤测体重，但它是量子版的“超级测量仪”，能测磁场、电场这些特别微小的物理量，精度比普通仪器高得多，甚至能突破普通仪器的测量极限。

  “量子行走”可不像人走路，是单个光子在实验装置里的“量子步伐”，和咱们扔硬币随机走步不同，光子的量子行走能同时走多条路，是量子世界的特殊走法。

  简单来说，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队联合东南大学、电子科技大学、安徽大学等合作者做了一个量子实验，就像给测量装了“超级放大镜”，能把特别微小的物理变化测得更准，还解决了过去测量耗费大量时间的国际难题，这项成果刚刚发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。

  过去的测量难题：想精准，就得等很久

  之前科学家们发现，量子系统在“临界点”时测量最精准，但有个大问题：要让量子系统达到这个“临界状态”，得等它稳定下来，这个过程特别耗时间，就像泡一杯温度刚好的茶，需要等开水慢慢凉到合适的温度，急不得，这就让这种精准测量很难实际用起来。

  同时，科学家们还发现，“非厄米系统”（可以理解成一个“不封闭的小房间”，光子在里面走的时候，会有一点点能量损耗，比如漏出去一点光，就像房间开了小窗户，和外界有能量交换，这和完全封闭、能量不流失的“厄米系统”不一样）的临界点可能让测量更精准，但因为需要特别精密的实验装置，这一猜想此前一直未能在实验上得到直接验证。

  团队创新：让光子“走几步”就测量，不用等

  薛鹏教授团队的厉害之处，就是造了一个基于单光子的“量子行走实验台”，还故意让光子在里面有一点点可控的损耗，完美模拟出了“非厄米系统”的状态，还成功看到了量子系统“点能隙闭合”和“线能隙闭合”两个临界瞬间。

  薛鹏教授介绍，他们设计了一种方案，使得系统在动态演化过程中，当其尺寸扩展到某一特定大小时，其量子态就已经具备了临界点附近的高敏感性。

  这就像是给一支正在发射、尚未到达最高点的烟花进行精准的轨迹和当量测算。传统的高精度方法，需要等待烟花完全炸开、形成稳定图案后，才能进行测量分析，耗时较长。

  研究团队的新方法则是在烟花升空、刚刚开始爆炸绽放的那个“临界瞬间”，就通过分析其初期的火花分布和膨胀速度，精准预测出它最终的全貌和能量。

  这就像上面说的，不用等开水凉透，而是掌握了烧水的规律，水烧到特定时间，温度刚好适合泡茶，直接用就行，节省了时间，完美地解决了“耗时间”的难题！

  光子的特殊“走秀”探索到极度敏感的“临界点”

  这项研究的实验核心用到了“非幺正量子行走”，薛鹏教授打了个比方，“可以把它想象成光子在一个精心设计的‘迷宫’里进行一场有规则的冒险，但这场冒险有两个特殊规则：光子像一个小人，它每走一步之前，要根据一个‘抛掷指令’来决定下一步是向左走还是向右走，这构成了标准的量子行走。”

  “其次，也是最特别的，这个迷宫是‘有损耗’的。我们在光路中加入了部分偏振分束器，让代表竖直偏振的光子有一定概率被‘吸收’，而水平偏振的光子则完全通过。这个‘损耗’过程就是‘非幺正’的核心，它模拟了开放量子系统的演化。正是这个设计，使得整个系统可以模拟出具有‘点能隙’和‘线能隙’的非厄米哈密顿量，从而能够实现传统厄米系统中没有的新型拓扑相变。”

  简单说，光子的这种行走，不仅位置和内在状态在变化，它本身还有一定概率“消失”，正是这种奇特的组合，让它能探索到那些对参数变化极度敏感的“临界点”。

  精度跃迁！这种量子状态放大效果惊人

  我们注意到，这次实验里抓到了“点能隙”、“线能隙”闭合两个临界瞬间，它们在测量精准度上，谁的“放大效果”更猛呢？

  作为非厄米系统的两种拓扑相变，“点能隙”和“线能隙”理论上都是实现“临界增强”量子传感的顶级资源。它们就像两种特别灵敏的“量子探测器”，都能把特别微小的变化放大到超级明显，用来做最精准的测量，也就是量子传感。

  这两种“探测器”有个一模一样的绝招，当你把它调到刚好要变样子的临界点时，它对一点点风吹草动的反应都会爆炸式变大。

  第一种探测器“点能隙闭合”可以想象成一张地图上的一个橡皮圈，平时橡皮圈是圈起来的，一旦调到临界点，橡皮圈突然缩成一条线，这引发了一次整体的拓扑相变：在临界点附近，测量精度随系统尺寸N增长的指数b≈2.116。

  第二种探测器“线能隙闭合”，好比复能量平面上被“分界线”隔开的两片区域突然连通，引发拓扑相变。这种相变更直接地与拓扑保护的边界态的出现和变化相关联：在临界点附近，测量精度增长的指数b≈2.707。

  我们可以把复能量平面想象成一个“带海拔的地图”：横轴代表“能量高低”（类似地图上的东西方向），比如温度、磁场强度等物理量；纵轴代表“稳定性”（类似海拔高度），数值越高表示系统越稳定（能量损耗少），越低则越不稳定（能量损耗多）。

  在非厄米系统中，光子的“能量状态”就像地图上的“行走路径”。当系统处于“线能隙闭合”的临界点时，原本被一条“山脉”（能量间隙）隔开的两个区域（比如“山谷”和“高原”）突然连通，就像山脉崩塌形成了一条通道。此时，光子的路径会对微小的“地形变化”（物理参数波动）极度敏感，就像人在悬崖边行走时，哪怕脚下有一粒小石子滚动，都会引发明显的身体晃动——这种“超级敏感”正是量子传感实现高精度测量的关键。

  简单来说，一个像橡皮圈突然缩成线，一个像地图中间的墙突然被打通，这两种情况都反应了临界增强的量子传感，测量精度随系统尺寸N增长的指数的不同并不代表一方本质上比另一方“更强”，而是反映了物理机制的细微差别和具体参数的影响。

  薛鹏教授团队成员肖磊研究员解释道，这次实验测出精准度增长指数最高到了b≈2.707，意味着测量精度的超线性提升，远超传统传感器的线性改善（1/N）。当系统资源增加100倍时，精度提升三个数量级，相当于从毫米级跃迁到微米级甚至更高精度。

  这个提升说明不需要一味地堆积巨量的资源，而是通过巧妙地将系统调控到特定的临界状态，就能让每增加一份资源所带来的精度收益呈“指数级放大”，这对于实现紧凑、快速的高精度传感仪器具有根本性的变革意义！

  研究成果有望为下一代传感技术注入新动能

  国家“十五五”规划建议把量子科技摆在未来产业首位，重点推进量子精密测量的规模化应用和产业化，这项“快速精准”的量子传感成果，打算如何对接这一战略布局呢？

  在资源勘探领域，比如寻找深部矿藏或油气资源，需要探测极其微弱的地球物理场异常。薛鹏教授介绍，这种临界增强型传感器，其超线性标度特性意味着在同等体积或功耗下，有望实现更高的灵敏度，可以转化为更深的探测深度、更高的分辨率，或者让探测设备更轻便、更节能。

  在导航定位领域，量子陀螺仪、加速度计等高精度惯性导航是摆脱外部信号依赖的关键。当前量子惯性传感器多在封闭的厄米系统下工作，团队研究发现，开放的非厄米系统不仅不是障碍，反而可以成为提升性能的“资源”。这为设计新型量子惯性传感器提供了全新思路，可能有助于提升其在复杂环境下的精度和稳定性。

  对于精密仪器行业，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，其核心是探测针尖与样品间微弱的力或隧穿电流。研究团队将基于临界增强的量子探针集成到这类仪器中，理论上可以大幅提升其探测灵敏度和信噪比，使得在更温和条件下观测更微弱的信号成为可能。

  这项从量子行走与非厄米系统中走出的原创性突破重新定义了“开放、损耗、临界”在量子测量中的价值——曾经被视作干扰的因素，如今成为提升灵敏度的核心资源。

  它以更高效、更快速、更紧凑的方式，将量子精密测量从理想模型推向现实应用。这不仅是基础物理的重要进展，更为我国下一代高端传感、量子导航与精密探测奠定了坚实基础，照亮了量子科技从实验室走向产业落地的未来之路。（林雨南 郭晓婷）