近期，我院/原子亚原子结构与量子调控教育部重点实验室/广东省高等学校物质结构与相互作用基础研究卓越中心/广东省量子调控工程与材料重点实验室/粤港量子物质联合实验室薛正远研究员、颜辉教授和朱诗亮教授团队在量子参数估计研究中取得最新研究进展：在基于超导电路的三能级体系中实现了量子增强的哈密顿量参数估计。该成果以“Quantum-Enhanced Parameter Estimation in Multilevel Systems: Experimental Verification in a Superconducting Qutrit Sensor”为题于11月13日发表在物理学国际顶尖期刊《Physical Review Letters》上。文章链接： https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=125ed23d3650b22814df5053cee2ede2

量子系统因具有量子叠加与量子纠缠等特性，与经典系统存在显著差异。量子参数估计通过利用量子纠缠和相干性等量子资源，能够突破经典测量精度的极限，逼近量子力学所允许的最高参数估计精度，即海森堡极限。在二能级系统中，已有大量研究证实，借助量子资源可实现以 1/T 或 1/N 的精度进行参数估计，其中 T 为演化时间，N 为资源粒子数。然而，现有方案多局限于量子比特系统及其有限的干涉构型，导致可测量的物理参数受到明显限制。相比之下，多能级量子系统具有更为丰富的干涉构型，天然拓展了可测量的参数类型，在量子信息处理与量子计量学中展现出重要的应用潜力。

在这项工作中，我们首先提出一种基于序列控制的多能级量子系统参数估计通用框架，可在由时间无关哈密顿量驱动的动力学过程中，实现逼近海森堡极限的参数估计，且无需复杂的反馈控制，从而显著简化实验实现过程。我们进一步通过超导三能级量子传感器，以相对振幅、相位和及相位差三个参数为例，展示了该框架在相对参数估计中的具体应用。实验结果表明，最终测量精度均超过标准量子极限 11 dB以上，实现了高精度的量子参数估计。该研究不仅突显了超导电路在量子增强型相对参数测量中的潜力，也验证了序列控制协议在实际量子计量任务中的可行性。本研究为基于多能级量子系统的量子信息处理提供了有价值的实验支撑。

我院研究员李赛，博士研究生朱瑗珂、张卫鑫为论文的共同第一作者，薛正远研究员、颜辉教授与朱诗亮教授为共同通讯作者。合作者包括南京大学于扬教授、北京量子信息科学研究院于海峰研究员，华南师范大学吕庆先副研究员等。该工作得到了国家自然科学基金、量子科学技术创新计划、国家重点研发计划和中国博士后科学基金等项目的大力支持。

图1： 超导电路中三能级实现量子相对参数估计示意图

图2：论文首页信息