近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）相干原子系统量子测量与操控团队与清华大学合作，利用物质波干涉首次实现超越经典精度极限的双参数联合估计。2025年7月10日，相关研究成果以 “Joint Estimation of a Two-Phase Spin Rotation beyond Classical Limit” 为题在线发表在《Physical Review Letters》期刊上。

测量是人类认知自然的基本手段。量子精密测量以提升测量精度为核心，是当代量子信息科技领域的重要研究方向。利用量子纠缠等非经典关联资源，突破基于粒子数 N 的标准量子极限（standard quantum limit）1/√N 精度，有望为基础科学研究和工程应用带来变革性突破，在引力波探测、原子钟时间基准标定等尖端领域极具潜力。例如LIGO引力波探测器采用压缩光抑制相位噪声，显著提升了系统灵敏度和引力波事件探测率。基于量子纠缠资源的高精度传感技术，在电磁场探测、超高分辨率检测等领域也前景广阔。

在量子增强的精密测量领域，绝大部分研究成果聚焦在单参数估计方面。近年来研究重点已逐步向多参数估计场景延伸，推动多个参数的估计精度同步突破标准量子极限，这在电磁场等多分量矢量场的精密探测、量子传感网络等多参数联合感知等领域展现出重要应用前景。但多参数同步估计面临显著技术挑战：一方面，优化制备对多个参数同时敏感的探测量子态难度较大；另一方面，更为深层的困难在于设计能在单次实验中实现多参数高效同步估计的探测方案，这也是该技术的瓶颈所在，因为加载不同参数的操作可能互不对易（例如沿自旋x和y方向的转动），受限于量子力学的海森堡测不准关系，无法同时超越标准量子极限。

尤力课题组早在2002年首次理论预言自旋为1的三分量旋量BEC中存在不同两能级子空间的量子压缩 [Physical Review A, 66(3): 033611]。美国佐治亚理工学院Chapman小组于2012年首次在实验中证实该现象 [Nature Physics, 8(4): 305]。清华大学尤力课题组在2022年在无退相干子空内间实现了约26400个旋量BEC原子的自旋回声，并构建了基于自旋-向列压缩演化的等效时间反演非线性干涉仪 [Nature Physics, 19(11): 1585]，其对小Rabi转角和Ramsey相位的测量精度分别超过经典极限15.6±0.5 dB和16.6±1.1 dB，达到国际先进水平。

本研究工作首次在原子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，延续了研究团队在利用旋量BEC演示超越经典精度极限的量子精密测量方向系统性成果。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，其独特的量子纠缠特性能够在两个独立的SU(2)自旋子空间中同时产生量子噪声压缩（见图1）。实验证实，该量子态在估计沿原子自旋的两个正交分量（X轴和Y轴）微小转动所引起的相位积累时，其灵敏度均超越了标准量子极限（见图2）。

团队设计了三段式微波脉冲序列，巧妙地借助基态F=2超精细能级作为辅助通道，成功实现了在一次实验中同时对原子集体自旋的两个正交分量进行“零拍探测”。实验在26,500个铷-87原子的系统中进行，结果显示灵敏度增益高达3.3至6.3 dB，显著超越标准量子极限，验证了量子纠缠在多参数场景下的独特优势，为原子钟网络同步，量子磁力计和原子陀螺仪等量子多参数估计应用场景提供了新的可能性。

该成果第一作者为量子院博士后曹家豪和助理研究员李昕伟，共同通讯作者为量子院助理研究员李昕伟和量子院兼聘研究员/清华大学尤力教授。其他合作者还包括清华大学博士生茅天伟和徐文昕。该研究工作得到了国家自然科学基金和科技创新2030国家科技重大专项的支持。