2026年5月29日——牛津大学、帝国理工学院和冲绳科学技术大学院大学的研究人员展示了一种测量光频率极微小差异的新技术，其精度远超传统光谱学方法。该成果发表于《自然·传感器》杂志。

精密频率测量支撑着从原子钟、化学光谱学到探测运动和距离的激光雷达系统等一系列现代科技。识别单个光谱特征——原子和分子吸收或发射光的独特频率——对其中许多应用至关重要。然而，当两个光谱特征靠得非常近时，就会出现一个根本性障碍：随着两者间距缩小，基于强度的标准测量技术会无法区分它们。这种现象被称为瑞利诅咒。

量子理论预测这一限制并非真正本质性的。与直接测量光强度不同，一种更具信息量的策略是先将入射光按特定时间形状（称为模式）进行分类，这些模式携带关于频率间隔的最多信息。在实践中，这需要一种保真度极高的模式滤波器——微小的缺陷就会迅速抹消其优势。

由伊恩·沃姆斯利教授领导的团队采用了一种通常用于量子网络应用的光子量子存储器，将其作为可编程模式滤波器。该存储器利用温铯蒸气实现，方法是用一束精心设计的控制激光脉冲照射气体。这束控制脉冲将入射信号光的选定时间模式相干地映射到原子上，以集体自旋激发的方式存储起来。其他时间形状的光则基本不受影响地通过。之后，通过第二束控制脉冲按需读取存储的激发，并使用超导单光子探测器进行检测。

通过高精度地设计这一过程，团队实现了99.6%的模式选择性，模式间的串扰仅为0.34%。将这种方法应用于由两条紧密排列的谱线组成的信号，他们分辨出了仅为信号线宽二十分之一的频率间隔——相当于在5.3 MHz宽的信号中区分出仅265 kHz的频率差。与标准直接检测方法相比，该技术测量精度提升了多达34倍，这是时频超分辨率估计中报道的最高精度提升。

“我们基于存储器的平台不仅能存储量子信息——它还可以充当可编程量子传感器，在兆赫兹到千兆赫兹带宽范围内实现超分辨率测量，”该研究的通讯作者、物理学系的张傲南博士说。“除了分辨两条谱线，该平台完全可编程的特性使我们能够应对更复杂的光谱结构，这对于多参数估计任务至关重要。”

该技术在高精度时钟同步、光子高效光谱学，以及能够以极高灵敏度检测运动和距离的下一代多普勒激光雷达系统中具有潜在应用价值。

沃姆斯利教授补充道：“这项研究展示了一种利用量子存储器处理传感应用光信号的新方法。该技术天然地兼容未来量子网络，其中多个传感器节点可能需要协作地同步、缓冲和处理量子信号。将精密测量与量子网络相结合，有望催生新一代传感技术。”

该研究得到了欧盟“地平线2020”研究与创新计划（STORMYTUNE项目）以及工程与物理科学研究理事会通过量子计算与模拟中心的资助。

《利用模式选择性量子存储器实现超分辨率频率测量》，张世成、张傲南、伊尔丝·梅莱特·德·布伊·温尼格等人，《自然·传感器》，2026年5月15日。