压缩态是量子光学和量子计量学中的核心概念，它通过精心调控量子噪声，实现了超越经典物理极限的测量精度。其本质是在满足海森堡不确定性原理的前提下，将光场（或原子系综）在某一物理量（如光场的振幅或相位，原子自旋的某个分量）上的噪声“挤压”至低于标准量子极限（SQL），同时必然导致其共轭量的噪声增加。

压缩态的核心定义与特性

压缩态是一种非经典光场或量子态，其核心特征是在一对共轭物理量上实现了不对称的噪声分配。

1. 噪声再分配

对于光场，压缩态可以将光场的振幅噪声（ΔX）或相位噪声（ΔP）降低到低于真空态的噪声水平。例如，在激光干涉引力波探测中，使用压缩光可以将探测臂的量子噪声降低，从而提升对引力波信号的灵敏度。

激光干涉探测器LIGO

2. 亚泊松光子统计

压缩态的光子数分布服从亚泊松分布，这意味着其光子数的涨落小于平均值，这是区别于经典光场（如相干态）的重要特征。

3. 产生机制

压缩态主要通过非线性光学过程产生，如光学参量放大器（OPA）、四波混频等。

光学参量放大器装置

4. 量子计量学应用

利用压缩态作为探针，可以突破标准量子极限（SQL），实现海森堡极限（HL）级别的测量精度。SQL的精度与粒子数N的平方根成反比（1/√N），而HL的精度与N成反比（1/N），理论上能提供更高的测量增益。

最新研究进展与实验突破

压缩度新纪录

14.6 dB

深圳国际量子研究院团队在超导微波电路中实现

🔬

弱克尔非线性

⚙️

Trotterization技术

📈

超越SQL 9.3 dB

1. 超导微波电路中的压缩态制备新突破 (2025年12月)

深圳国际量子研究院与南方科技大学、合肥国家实验室深圳分部合作，在超导量子电路系统中，利用克尔非线性效应和Trotterization（特罗特化）技术，成功制备出压缩度高达14.6 dB的微波光场压缩态。这是目前腔内微波光子态已知的最高压缩度，并利用该高压缩态实现了对微波光场位移信号的高精度量子探测，测量精度超越了标准量子极限9.3 dB。

超导量子电路

2. 原子系综中的自旋压缩新方法 (2023年8月)

清华大学尤力研究组在玻色-爱因斯坦凝聚体中，利用“压缩回声”技术实现了等效的时间反演，成功制备了自旋-向列压缩态。在原子磁力计等应用中，该技术将测量灵敏度提升了15.6±0.5 dB，显著优于传统方法，为基于超冷原子的精密测量奠定了基础。

3. 离子阱系统中的纠缠增强测量 (2025年12月)

精密测量院与中山大学、深圳大学合作，首次将量子纠缠引入量子锁相探测过程。实验中，他们利用两个囚禁的钙离子制备出最大纠缠态，结合周期性多脉冲序列，成功将频率测量精度提升至海森堡极限，显著优于非纠缠态能达到的标准量子极限。

压缩态在量子计量中的核心应用

1. 提升测量精度

这是压缩态最直接的应用。在原子钟、磁力计、引力波探测等领域，使用压缩态作为探针，可以突破由独立粒子噪声决定的SQL，实现更高的测量精度。

2. 量子成像

在赝热光关联成像中，利用压缩采样原理，可以从更少的测量中获得信噪比更高的图像，分辨率可提高2倍以上。

3. 量子计算与通信

压缩态是生成特定量子资源（如GKP态、压缩猫态）的基础，对于量子纠错编码和量子隐形传态等协议至关重要。

4. 量子压缩算法

在量子计算领域，研究人员提出了基于对称性的量子压缩算法，可以将N个相同量子态压缩到更低维度的希尔伯特空间中，以优化量子资源。

总结与展望

压缩态作为量子力学中一种深刻的非经典现象，正从理论走向实践，成为推动精密测量技术革命的核心驱动力。近年来，研究人员在超导电路、离子阱、冷原子等多个物理平台上取得了显著进展，不断刷新压缩度和测量精度的世界纪录。未来，随着更多高效、可扩展的压缩态制备与操控技术的成熟，压缩态将在引力波探测、暗物质搜寻、基本物理常数测定以及下一代量子计算机的构建中扮演愈发关键的角色，开启一个超高精度测量的新纪元。

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"通过挤压量子噪声，我们正在撬动宇宙最细微的涟漪。"