近日，新葡的京集团35222vip肖磊教授团队及合作者在量子传感领域取得重要突破，在非幺正光量子行走实验平台上观测到由临界点增强的量子传感。该工作首次直接观测到非厄米系统在点能隙闭合与线能隙闭合附近，对待估计参数的估计精度随系统尺寸呈现超线性增长，为在开放量子系统中利用量子临界性实现高性能传感开辟了新路径。
量子传感利用量子物理特性，可实现超越经典极限的参数测量精度。由于量子临界性通常会导致系统的物理性质对特定参数的变化极度敏感，因此被认为是实现增强量子传感的关键资源。然而，传统基于量子临界性的传感方案面临严峻的实验挑战：需要制备系统的临界基态或稳态，而这个过程通常极其耗时，从而限制了其实际应用。
近年来，非厄米拓扑系统因其新奇的能谱结构和拓扑相变，为探索新型量子资源提供了理想平台。理论预言，在非厄米系统中，当复能谱中的“点能隙”或“线能隙”闭合时，会发生拓扑相变，并有望在这些临界点附近实现量子增强的传感。然而，要在实验中观测并证实这种临界增强的标度律，因需要高度可控的实验系统，仍然存在挑战。
该工作设计并构建了基于单光子干涉的离散时间量子行走实验平台。通过引入可控的光子损耗，研究团队精准模拟了一维非厄米拓扑哈密顿量的动力学，并成功观测到点能隙与线能隙闭合的临界现象（图1）。为克服传统方案需制备稳态的耗时挑战，肖磊团队提出了一种在非稳态演化过程中进行传感的新方案。该方案将探针制备于经过特定步数演化后的量子态，这一演化步数与系统尺寸成正比，从而巧妙地避免了传统方案中等待系统达到稳态的漫长过程。
图1： (a) 点能隙能谱结构。(b) 线能隙能谱结构。(c) 实验实现domain wall体系示意图。
基于该平台，肖磊团队系统研究了在点能隙闭合与线能隙闭合两种拓扑相变附近的传感性能。首先，他们在理论上证实：当探针处于稳态时，量子Fisher信息的峰值在临界点附近随系统尺寸呈现或近似Heisenberg极限的二次方标度增长。更重要的是，他们发现即使探针处于瞬态演化过程，其量子Fisher信息在临界点附近也显著高于非临界情况，并表现出快速增长的趋势，预示着临界增强效应在实验可及的时间内即可显现。
实验中，他们实现了离散时间量子行走，制备了不同尺寸的系统，并测量了探针态在位置基矢下的概率分布（图2）。通过计算Fisher信息，直接评估了实验测量方案下的实际可达精度。
图2：实验装置示意图。
1. 点能隙闭合临界增强：实验观测到，在理论预测的点能隙闭合临界点附近，经典Fisher信息呈现明显的峰值（图3a）。峰值信息量随系统尺寸N的增长遵循FmaxC∼Nb的幂律关系，拟合指数达b=2.116，展现出显著的量子增强。相比之下，在远离临界点的参数下，增长指数显著降低（图3b）。
2. 线能隙闭合临界增强：类似地，在线能隙闭合临界点附近，实验也观测到了经典Fisher信息的峰值（图3c）。峰值信息量随系统尺寸的拟合增长指数甚至更高，达到b=2.707，再次明确验证了量子临界性对传感精度的巨大提升作用（图3d）。
图3. 临界增强量子传感的实验结果。(a)-(b)点能隙能谱结构，(c)-(d)线能隙能谱结构。
此外，研究团队采用贝叶斯分析直接从实验数据中推断未知参数值并评估精度。结果表明，在临界点附近，随着测量次数的增加，参数的后验分布快速收敛且达到最大精度，验证了该平台出色的实际传感能力。
本工作首次在实验上实现了非厄米拓扑体系中的临界增强量子传感，突破了传统量子临界传感需长时间达到稳态的限制，展示了瞬态时间内即可实现超线性精度提升的可能性。该成果不仅揭示了点能隙与线能隙闭合在量子传感中的关键作用，也为非厄米拓扑体系在电场、磁场及引力梯度等物理量的高精度测量提供了新思路。
该成果于2026年2月9日以“Observation of Criticality-Enhanced Quantum Sensing in Nonunitary Quantum Walks”为题发表于[Phys. Rev. Lett. 136, 060802 (2026)]。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金以及北京凝聚态物理国家研究中心开放课题支持。
原文链接： https://doi.org/10.1103/6gql-zgkb
供稿：肖磊
审核：苗霖