近日，物理学院于长水教授课题组在腔—磁子体系量子精密测量方向取得重要进展，完成题为“Quantum Magnetometry with Orientation beyond Steady-State Limits in Cavity–Magnon Systems”的研究工作，于2026年9月1日正式发表在《Physical Review Letters》第137卷，文章编号：103602。第一作者刘正为理论物理专业在读博士生，于长水教授为唯一通讯作者，大连理工大学为第一完成单位，河南师范大学为合作单位。

量子磁测利用量子系统对微弱磁场的响应实现高灵敏磁场探测，在凝聚态物理、量子信息、材料科学以及微弱磁信号检测等领域具有重要应用。近年来，腔—磁子混合系统凭借磁子与微波光子之间的强相互作用，为弱磁场探测提供了新的物理平台。然而，已有研究大多建立在长时间稳态谱测量基础上，不仅会丢失系统初态和有限时间动力学所携带的信息，而且通常要求传感方向与待测磁场相匹配，难以获得未知磁场的完整方向信息。

针对这些问题，于长水课题组建立了腔—磁子弱磁场传感的有限时间谱理论框架，并提出超越传统稳态极限的瞬态量子磁测方案。研究利用钇铁石榴石（YIG）中的磁子模式与微波腔场耦合，将外部脉冲弱磁场信息转换至腔场输出，通过有限时间窗口内的输出功率谱实现磁场探测。

图1：腔—磁子弱磁场传感模型示意图

与传统稳态测量不同，有限时间测量保留了系统初态对输出功率谱的贡献。研究发现，这一通常在稳态极限下被完全耗散的信息，可以转化为提高磁场探测性能的量子资源。通过预先制备具有压缩特性的初态，能够有效降低瞬态测量过程中的量子噪声，从而显著提高短时间窗口内的信噪比。研究进一步揭示，瞬态增强的本质来源于系统非平凡的初态贡献，说明有限时间动力学可以为短时弱磁场探测提供传统稳态测量所不具备的优势。

图2：瞬态磁场探测的信噪比增强及其物理来源。初态的压缩特性能够在有限测量时间内降低量子噪声，提高磁场探测性能

在瞬态磁测的基础上，研究团队进一步解决了未知磁场方向的测量问题，提出三维磁场定向重构方法。通过测量腔场输出的不同正交分量，可以获得横向磁场的信息；同时，对纵向磁场施加微小扰动并构造差分噪声谱，可以消除与纵向磁场无关的背景贡献，进而分别提取三个方向的磁场分量。数值结果表明，重构得到的磁场方位角和极角与真实值在误差允许的范围内一致，实现了对磁场强度和空间方向的完整测量。

图3：三维磁场方向重构结果。利用输出正交分量与差分谱方法，可以准确恢复磁场的方位角和极角

除瞬态测量外，研究还系统分析了长时间稳态极限下的磁场探测性能。结果表明，稳态输出谱测量会丢失纵向脉冲磁场的信息，但持续注入压缩微波场能够降低测量横场磁场在非共振区域的腔场量子涨落，拓宽高信噪比工作区域。同时，压缩还可以增强系统对温度噪声的鲁棒性，使腔—磁子系统在更宽的参数范围内保持良好的弱磁场探测性能。

图4：稳态极限下压缩微波场对横向磁场磁测性能的增强。增加持续注入的压缩能够降低腔场量子涨落，并提高系统对温度噪声的鲁棒性

该研究从有限时间动力学出发，建立了统一描述瞬态与稳态腔—磁子磁测的理论框架，揭示了初态量子资源在短时磁场探测中的重要作用，并通过正交分量测量与差分谱方法实现三维磁场的定向重构。相关方法还可进一步推广至其他混合量子系统及量子多体平台，为高精度、多参数量子精密测量提供新的理论思路。

论文链接： https://doi.org/10.1103/z982-mv6k