近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)智能量子计算与模拟团队联合电子科技大学、中国科学院物理研究所等多家单位，提出并实现了一套完整的量子增强传感方案。该方案基于超导量子比特 Stark-Wannier 局域化平台，将量子临界性与非平衡动力学相结合，并配合简单计算基测量和时域联合贝叶斯估计策略，在较宽参数范围内实现了量子增强传感，成功获得了随演化时间接近海森堡极限的精度标度。2026年6月30日，相关成果以“基于超导量子比特的非平衡临界增强量子传感”(Non-equilibrium criticality-enhanced quantum sensing with superconducting qubits)为题，发表于《科学通报》(Science Bulletin)，并被选为当期封面。

　　量子传感技术利用量子系统独特的物理特性，能够实现对物理量的超高灵敏探测，在科学研究与技术应用领域前景广阔。相较于经典传感方案，量子增强传感有望使测量精度随探针规模或演化时间呈现超线性提升，甚至接近或达到海森堡标度。围绕这一目标，目前已有多种增强机制，包括利用纠缠态提升灵敏度、利用量子临界点附近对参数扰动的强响应实现临界增强，以及利用非平衡动力学将演化时间转化为传感资源。然而，在实际应用中，相关技术通常面临噪声干扰、退相干效应以及量子态制备与测量复杂等挑战。因此，如何在现有量子硬件上将不同增强机制取长补短，发展兼具高精度、宽参数适用范围和简单测量流程的传感方法，是当前亟需解决的重要课题。

　　围绕“如何在现有量子硬件上同时利用量子临界性和非平衡动力学提升传感精度”这一问题，研究团队在超导量子比特平台上构建了一个由9个量子比特组成的 Stark-Wannier 局域化量子链探针。该体系中，相邻量子比特之间的激发隧穿与线性梯度场相互竞争，使系统可在扩展相、临界点附近和局域相之间连续调控：在扩展相中，量子激发可在全链范围内传播；进入局域相后，其动力学演化被限制在局部区域。由于外部梯度场强度会直接改变系统量子激发的传播动力学，这一过程可作为反推出场强信息的传感资源。

　　实验中，研究人员首先在量子比特链中心制备单个量子激发，使其在可控梯度场下发生非平衡演化，并通过计算基测量记录在各个量子比特上的激发概率分布随时间的变化。不同梯度场强度下，量子激发会表现出全链扩展传播、临界点附近跨越全链的布洛赫振荡，以及局域相中的受限振荡等不同动力学特征。通过对这些时空传播图样进行分析，研究团队实现了对外部梯度场强的精确估计，并验证了整个扩展相对应的临界区域相较于局域相对应的非临界区域具有更优的传感性能，体现了量子临界性对传感精度的增强作用。

　　为避免传统临界增强传感中对复杂最优测量基的依赖，研究团队提出并实验验证了时域联合贝叶斯估计方法。该方法不再依赖单一时刻的测量结果，而是将多个演化时刻获得的测量数据联合起来构建后验概率分布，从而有效减少单时刻估计可能产生的多峰歧义，在有限采样数下获得更准确、更稳健的参数估计。实验结果表明，即使仅采用简单的计算基测量，该方案仍可在时域维度上获得接近海森堡极限的精度标度。研究团队还在双激发子空间中进一步验证了该方法的有效性，显示出该传感方案可向物理更丰富的量子多体探针拓展。

　　该研究将量子临界性带来的高灵敏响应与非平衡动力学提供的时间资源统一到同一超导量子传感器中，并通过时域联合估计策略降低了对复杂初态制备和最优测量基的依赖，为在较宽参数范围内实现更具实验可行性的高精度量子传感提供了新的思路。未来，这一思路有望拓展到倾斜光晶格中的重力测量，以及离子阱、量子点阵列等带电粒子体系中的电场传感，为发展更实用的量子增强传感技术提供新的实验路径.

　　该论文第一作者为量子院博士后李浩(已出站)和电子科技大学博士生杨曜菱。通讯作者为中国科学院物理研究所相忠诚副主任工程师、量子院黄凯旋助理研究员、电子科技大学Abolfazl Bayat教授，以及量子院兼聘/中国科学院物理研究所范桁研究员。文章合作者还包括中国科学院物理研究所副研究员许凯、宋小会，博士后时运豪、刘宇、梁珪涵，博士生马卫国、李天铭、张佳驰、方才平、宋嘉程、刘皓天、周思耘、刘政和、陈炳杰；量子院助理研究员王正安、邓承林，博士后王子婷(已出站)、徐越山(已出站)，高级工程师张翼鹏、赵魁，工程师李金涛。

　　文章特别致谢德国奥格斯堡大学博士后孙政杭和电子科技大学博士生何行健在理论方面具有启发性的讨论，也感谢华南理工大学教授张煜然和量子院助理研究员王永逸在数据分析方面提出的宝贵建议。该工作得到国家自然科学基金委、北京市自然科学基金、量子科学与技术创新计划、北京市科技新星计划、北京市高层次创新创业人才支持计划基础研究人才项目、北京市“高创计划”青年人才托举工程、北京凝聚态物理国家研究中心开放课题和中国博士后科学基金等的资助。