高精度光学频率测量是现代科学技术的核心基础，高分辨率光谱分析、光学原子钟、激光雷达、量子计量与传感等领域都需要对频率变化的精确测量。
然而，传统光学频率测量技术受限于信号的本征线宽与仪器带宽，在分辨亚线宽光谱特征时面临固有瓶颈：当两条谱线间距逐渐缩小，其频谱会高度重叠，传统的直接强度探测方式能够提取的信息迅速下降。尤其在低光子数、弱信号条件下，测量不确定度会迅速增大。
近日，帝国理工学院/牛津大学Ian Walmsley教授团队，提出并实验实现了一种基于模式选择量子存储器（mode-selective quantum memory）的超分辨频率测量平台，实现了相比传统方法34倍的测量精度提升，展示了一种天然适合集成于未来量子网络的时间—频率量子传感架构。
相关成果以“Super-resolving frequency measurement with mode-selective quantum memory”为题发表于《Nature Sensors》。帝国理工学院博士生张士诚为论文第一作者，牛津大学玛丽居里学者张傲男为论文通讯作者。
研究亮点：拉曼量子存储器相干模式滤波
实现突破经典极限的最优测量需要在探测前进行高保真度的相干模式滤波。研究团队利用铯原子蒸气（Cs-133）的Λ型三能级结构构建受激拉曼量子存储器，通过精确和整形控制场脉冲，并调控控制场与信号场的相干相互作用，实现了对正交时间模式，例如Hermite-Gaussian（HG）时间模式的高选择性相干滤波，使量子存储器能够只对特定时间模式的光产生响应。
实验结果显示，当控制场处于HG0模式时，HG0信号存储选择性达到99.61%，而HG1模式串扰仅为0.39%。该低串扰特性使量子存储器能够作为可编程时间模式滤波器，实现高保真度的相干投影测量。
图1 模式选择拉曼量子存储器
亚线宽频率间隔高精度测量
研究团队制备间距可调的非相干高斯光谱线（线宽5.30 MHz），分别使用HG0与HG1控制脉冲对信号进行相干滤波与存储，随后进行读取并通过超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行光子探测。
对于两个频率间隔极小、高度重叠的谱线，系统对于谱线间距的分辨灵敏度达到了本征线宽的1/20，成功分辨低至265 kHz的频率间距。
通过采用最大似然估计（MLE）算法，并结合预先标定的模式串扰进行建模修正，对频率间隔测量的均方误差实现了相比于直接强度测量34倍的测量精度提升，刷新了同类技术的记录，同时相比其他时间频率分辨技术填补了MHz-GHz这一关键工作带宽的空白。
图2 光学频率超分辨测量。左图：频率间距测量实验结果；右图：超分辨精度提升与工作带宽对比
面向量子网络的多功能传感节点
量子存储器长期以来一直被视为未来量子互联网中的关键基础设施，能够存储光子的量子态，实现不同量子节点之间的同步与协调。
该平台在实现超分辨传感的同时，保留了量子存储器固有的按需读取和相干模式转换能力。这意味着系统可以在处理时频信息的同时，完成信号的缓冲与相干调制，天然适用集成于未来量子互联网，作为支持时间频率信息处理的多功能节点。
实验结果演示了在150 ns至250 ns的不同存储延迟下，超分辨性能保持一致；读取控制脉冲可在HG0与HG1模式间灵活切换，实现按需时间-频率模式转换。
总结与展望
这一研究成果展示了量子存储器可以成为一种高精度时间—频率传感器，并且天然具备网络化量子传感（networked quantum sensors）所需要的关键能力。
它不仅能够测量频率信息，还能够同步、缓冲、模式转换，并与其他节点进行协同工作。这些特性有望应用于分布式量子传感、激光雷达、超高精度时钟同步、低光子数精密测量，以及未来量子互联网中的时间—频率量子信息处理。
例如，在低信噪比条件下，该技术在激光多普勒雷达（Doppler LiDAR）应用中可以实现0.11 m/s的速度分辨率与38 cm的距离分辨率，而且不需要相位稳定的本振光，且无需相位稳定的本振光，对大气湍流与散斑噪声具有天然鲁棒性，适用于复杂目标速度-距离联合估计与漫反射目标传感。
[1]Zhang, S., Zhang, A., et al. Super-resolving frequency measurement with mode-selective quantum memory. Nat. Sens. (2026). [2]https://doi.org/10.1038/s44460-026-00073-9
[3]https://www.nature.com/articles/s44460-026-00073-9
