灵敏度决定了传感器分辨微弱的外界信号能力。灵敏度越高，系统能够识别的信号变化越小，因此灵敏度是量子精密测量中最重要的性能指标之一。

随着激光噪声、电子噪声等噪声不断降低，传感灵敏度将逐渐受到量子噪声的限制。量子噪声源于量子测量本身固有的统计不确定性，它是限制测量精度进一步提升的重要因素。

对于彼此独立、没有量子关联的探测粒子，每个粒子的测量结果都存在一定的统计不确定性。当使用 N 个独立粒子进行测量时，统计误差只能按照 N⁻¹ᐟ² 的规律减小。这一标度称为散粒噪声极限，也是标准量子极限（Standard Quantum Limit，SQL）。

仅仅依靠增加独立粒子数，虽然仍能提高测量精度，但无法超越 SQL 的限制。

要进一步提升传感灵敏度，可以从以下四个方向突破：延长相干时间、制备量子压缩态、建立多粒子纠缠，以及利用多体相互作用临界特性。其中，延长相干时间可以提高体系对微弱信号的有效感知能力，而量子压缩、量子纠缠和多体效应则进一步提供了超越 SQL 的可能。

延长相干时间：提高信号积累能力

相干性描述不同量子态之间能够保持稳定的相位关系，而相干时间决定了这种相位关系能够维持多久。对于量子传感而言，相干性是将外界微弱信号转化为可测信号的重要基础。相干时间越长，体系对微弱信号的感知时间越长，更有利于提高测量灵敏度。

以里德堡原子微波电场测量为例，在量子散粒噪声限制下，体系能够分辨的最小微波电场可表示为

其中，μRF 表示里德堡态之间的微波跃迁偶极矩，N 表示参与测量的原子数，T 表示总测量时间，T₂ 表示原子的相干时间。可以看出，较大的跃迁偶极矩、更多的有效原子数以及更长的相干时间，都有助于降低最小可探测电场，从而提升微波电场测量灵敏度。

然而，延长相干时间本身并不会改变独立粒子体系中 N⁻¹ᐟ² 的 SQL 标度。如果 N 个粒子之间仍然彼此独立，更长的相干时间主要增加每个粒子能够获得的信号信息，而粒子之间的统计关系并没有改变。因此，要真正突破 SQL，还需要进一步利用量子压缩、量子纠缠和多体相互作用等量子资源。

更长的相干时间还有另一层重要意义：它为量子压缩、量子纠缠的制备、保持和读取提供了更大的相干窗口。

量子压缩：降低测量噪声

以原子自旋压缩为例，对于彼此独立的原子，集体自旋的量子涨落在平均自旋方向周围近似对称，在相空间中可以表示为一个近似圆形的噪声区域。量子压缩的核心，就是利用量子关联重新分配这些涨落，使与待测信号对应方向上的噪声降低到 SQL 以下。

量子压缩可以通过粒子间相互作用所引起的非线性演化实现。相互作用使量子态在相空间中的不同部分以不同速率演化，原本近似圆形的涨落分布随之发生形变，逐渐形成一个方向被压窄、另一方向被拉伸的椭圆分布。椭圆短轴对应更小的量子涨落，沿短轴方向读取信号时，就可以获得低于独立粒子量子投影噪声的测量不确定度，并进一步突破 SQL。

量子压缩并不是增强信号本身，而是通过降低与测量相关的量子噪声来提高信噪比，从而突破 SQL。

以原子自旋压缩为例，里德堡阵列系统可借助原子间相互作用形成低噪声的压缩方向，从而实现低于量子投影噪声、超过 SQL 的测量。

图1：利用量子压缩超越光钟测量SQL，图片来源Nature 621, 734–739 (2023)。

量子纠缠：实现协同测量

对于彼此独立的粒子，每个粒子分别感知外界信号，最终测量精度受到 SQL 的限制。量子纠缠则可以在多个粒子之间建立不可分割的量子关联，使它们作为一个整体共同感知外界信号，从而改变体系对待测参数的响应。

GHZ 态是一类典型的多粒子纠缠态，可以表示为：

它表示 N 个粒子“全部处于 |0⟩”和“全部处于 |1⟩”这两种状态的相干叠加，各粒子的状态不再彼此独立。当单个粒子在外界信号作用下产生相位变化 φ 时，GHZ 态两部分之间的相对相位可以变化为 Nφ。也就是说，多个纠缠粒子可以协同编码同一个相位信号，使同样大小的参数变化会产生更快的集体相位演化。

量子纠缠能够改变测量精度随粒子数的标度关系，使其由独立粒子的标准量子极限 N⁻¹ᐟ²，提升至理想情况下受海森堡极限 N⁻¹ 所约束的标度

与量子压缩主要通过降低测量噪声不同，量子纠缠更强调利用多粒子的协同相位演化，提高体系对待测参数的集体响应。

以光镊原子钟中的多粒子纠缠为例，研究人员将多个原子制备为 GHZ 态，使集体相位响应随纠缠粒子数增强，并在实际频率测量中获得了超过 SQL 的量子增益。

图2：利用量子纠缠超越光钟测量SQL，图片来源Nature 634, 315–320 (2024)。

多体相互作用：利用临界特性增强响应

当粒子之间存在较强相互作用时，体系的响应不再是单个粒子响应的简单叠加，而会出现由多体效应产生的非线性和集体行为。随着相互作用增强，体系可能进入相变或临界区域；在临界点附近，体系对外界参数的变化更加敏感，微小扰动就可能引起可观测信号的显著变化。

临界点附近的增强来源于多体体系的集体响应。强相互作用使粒子之间相互影响，外界扰动不再只影响单个粒子，而是能够通过多体耦合影响整个体系的演化。由此产生的集体行为，使体系在临界区域对微弱外界扰动表现出更强的响应。

临界传感正是利用多体体系在临界区域对外界参数的强响应，将微弱的外场变化转化为更加明显的可测信号，从而提升传感灵敏度。

以强相互作用冷里德堡原子为例，微波电场的变化会引起临界动力学轨迹的明显改变。利用临界区域轨迹交点变化实现对微波电场的增强响应，可以显著提高电场测量灵敏度，并在强相互作用区域实现超越 SQL 的微波探测灵敏度。

图3：利用多体相互作用超越微波电场测量SQL，图片来源Nat. Commun. 17, 1160 (2026)。

总结

提高量子传感灵敏度，可以从延长相干时间、降低量子噪声、利用多粒子纠缠以及增强多体临界响应等不同方向入手。较长的相干时间能够延长体系对微弱信号的有效感知时间，同时也为压缩态和纠缠态的制备、保持与读取提供更充分的时间窗口。

在此基础上，量子压缩通过降低测量方向上的量子涨落提高信噪比；量子纠缠通过多粒子协同演化改变测量精度随粒子数的标度关系；多体相互作用则可以利用临界区域对外界微弱扰动的增强响应，进一步提升传感灵敏度。

这些方法从不同物理机制出发，共同拓展了量子传感对微弱信号的探测能力。随着对这些量子特性的操控不断深入，量子传感正在突破独立粒子测量所受到的限制，为更微弱的电磁场、更细微的频率变化以及更高精度的时间测量提供新的实现途径。