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高维局域希尔伯特空间在量子信息领域具有核心应用价值，涉及量子计算与存储、量子模拟及精密测量等多个方向。费米子碱土金属原子因其基态核自旋多重态与外界扰动耦合微弱，成为极具潜力的量子信息研究载体。然而，实现单原子多量子态同步分辨检测仍是重大挑战，这制约着超越量子比特的新型计算与模拟方案的发展。本工作报道了一种新型成像技术，可在100微秒内同步检测单个费米子锶原子核自旋多重态中编码的四种量子态，其态分辨保真度介于0.936至0.997之间。该技术进一步用于追踪量子猝灭后高度相干的核自旋动力学，凸显了该系统在量子信息领域的潜力。这些成果为多电子原子量子科学开辟了广阔前景，从基于高维量子比特（qudit）的量子计算，到SU(N)费米-哈伯德模型的量子模拟均涵盖其中。