声学频率范围内的混合量子网络传感：突破标准量子极限的宽带量子噪声抑制

本研究针对量子传感中波长固定性和声学频段量子噪声抑制的挑战，开发了一种基于原子自旋系综与双色EPR光源的混合量子网络。通过将可调谐负质量自振子与纠缠光场耦合，实现了跨光学频谱的宽带量子噪声抑制（带宽达倍频程），在10-54 kHz声学频段验证了频率依赖的量子噪声压缩（最高3 dB）。该技术为引力波探测器（GWDs）等精密测量设备提供了超越标准量子极限（SQL）的新型解决方案，同时为连续变量量子中继器和分布式量子传感开辟了新路径。

　　

量子物理与精密测量的边界正被不断突破，但两大瓶颈始终制约着量子传感器的性能：一是现有光子量子源的工作波长固定，限制了传感系统的兼容性；二是声学频率范围（kHz-MHz）的量子噪声难以被有效抑制，而这恰恰是引力波探测等关键应用的核心频段。传统方法依赖复杂的光学滤波腔实现频率依赖压缩，但系统笨重且调谐困难。哥本哈大学尼尔斯·玻尔研究所的Valeriy Novikov、Jun Jia等联合团队在《Nature》发表的研究，通过原子自旋系综与双色爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）光源的协同创新，构建了可编程的量子噪声抑制平台。

研究团队采用三项核心技术：1）非简并光学参量振荡器（NOPO）产生852 nm与1,064 nm双色EPR纠缠态；2）¹³³Cs原子自旋系综通过光学泵浦实现正/负质量可切换的量子振子（Ω_a/2π=3-54 kHz）；3）偏振零差探测结合维纳滤波实现最优量子噪声抵消。实验系统包含8厘米原子气室，在10.7 kHz声学频段获得4.1 kHz的压缩相位旋转带宽。

混合量子网络设计
通过将852 nm（闲置光）与1,064 nm（信号光）纠缠光束分别耦合至原子振子与目标传感器，系统利用自旋系综的负质量特性抵消量子反作用（QBA）。当信号光探测力传感器时，原子振子通过K_a(Ω)=Γ_aΩ_a/(Ω_a²-Ω²-iγ_aΩ)的频率响应，产生与传感器QBA噪声互补的量子关联。

频率依赖压缩验证
在正质量配置（Ω_a/2π=54 kHz）下，通过调节信号零差角θ_s，观察到压缩相位Φ(Ω)=-arctan(K_a(Ω))随频率从0°到180°连续旋转（图2b）。虚拟刚性效应（δθ_i=45°）可将等效腔长从5米延长至10米，显著提升低频噪声抑制能力（图3f）。

声学频段量子优势
负质量配置（Ω_a/2π=-10.5 kHz）演示了与引力波探测器兼容的噪声抑制模式。量子噪声在26 dB动态范围内被压制，相当于用8厘米原子气室替代了传统6,000精细度的5米滤波腔（图3d）。

这项研究开创了量子噪声工程的新范式：通过原子振子的可编程动力学与多波长纠缠光源结合，首次在声学频段实现跨光学波段的量子噪声抑制。相比传统滤波腔方案，该系统兼具紧凑性（厘米级）与调谐灵活性（kHz-MHz），为下一代引力波探测器（如Einstein Telescope）的量子增强提供了关键技术路径。理论预测显示，通过将自旋热噪声降低3倍、宽带噪声降低6倍，系统可逼近EPR纠缠的理论极限。该平台还可拓展至纳米机械振子量子态调控、连续变量量子中继等前沿领域，推动宏观量子网络的发展。