近日，首届 IEEE qCCL 国际会议（IEEE International Conference on Quantum Control, Computing and Learning）在香港理工大学成功举办。上海交通大学自动化与感知学院 2020 级博士生朱宇霆撰写的关于巨腔量子陀螺仪的论文《Quantum Coupled-Giant-Cavity Gyroscope under Strict Braided Topologics》（通讯作者：薛拾贝副教授），经过国际评奖委员会的严格筛选和现场答辩，荣获 IEEE qCCL 2025 最佳学生论文奖（Best Student Paper Award）。

左二为朱宇霆

论文介绍

耦合巨腔陀螺仪模型示意图

陀螺仪作为一种高灵敏度的“旋转探测器”，自问世以来便在导航与姿态稳定领域发挥着关键作用。从保障飞行器姿态稳定，到实现智能手机摄像防抖功能，都离不开陀螺仪的核心贡献。然而，随着技术发展需求日益提升，传统机械或激光陀螺仪在灵敏度提升和微型化方面面临瓶颈，其性能有时难以满足前沿应用的要求。为解决这一挑战，研究人员将目光投向量子物理领域。量子系统因其对外界扰动具有极高的敏感性，为新一代陀螺仪的开发提供了新思路。

目前，可集成于芯片上的量子陀螺仪，其核心通常包含两个微型的量子谐振腔结构。这些腔体能够有效约束和操控特定频率的光波或声波。其中一个腔体作为“传感单元”，专门负责探测旋转运动；另一个则作为“读出单元”，其功能是将探测到的旋转信息转化为可测量的电学信号。在常规设计中，连接这两个腔体的通道是双向互通的，信息可在两个腔体间自由传递。这一特性被称为互易性，表现为信号传输强度不会因输入/输出端口的互换而发生改变。而突破性设计在于，当两个腔体通过特定方式连接时（例如，利用多个电容或压电器件作为耦合元件，将它们如同串珠般精确排布于同一根波导之上），如果这些耦合元件的空间排列经过特殊设计（例如，像麻花辫一样相互交错，形成类似“编织”的拓扑结构），信息传输的性质将发生根本转变。原本的双向对称传输被打破，转变为具有明确方向性的单向传输。这种打破互易性的独特传输特性，被称为非互易性。

严格编织型拓扑下，信噪比随相位ϕ与协同系数Co的变化曲面

但在陀螺仪里，如何利用单向传递特性提升传感器性能呢？论文核心即利用耦合点的拓扑结构来制造非互易性。该论文研究了一类“严格编织型”的连接方式——两个腔的连接点像编麻花辫那样紧密交错地排列在一根波导上，并分析了非互易性对陀螺仪性能的影响。在非互易性最强的位置（如上图ϕ=π处），信号比在互易处（如上图ϕ=0.5π，1.5π处）强得多。这意味着非互易性增强了输出信号。此外，它还使输出信号对旋转速度的微小变化反应更敏锐，提高了探测微小旋转的能力。这是严格编织型结构及其产生的非互易效应首次应用于量子陀螺仪。该研究不仅展示了非互易性作为提升陀螺仪性能的有利工具，也为未来开发其它量子传感器打开了新的大门。

团队介绍

薛拾贝副教授研究团队长期从事开放量子系统的控制理论研究，在非马尔可夫量子系统滤波、反馈控制、辨识方面取得系列成果。相关成果发表于《Automatica》《IEEE Trans.》《Physical Review》系列国际顶级期刊，入选ESI高被引论文。上述研究获得多项国家自然科学基金面上项目、上海市浦江人才计划支持。

联系邮箱：shbxue@sjtu.edu.cn

关于会议

IEEE qCCL 2025 作为国际顶级学术会议，由 IEEE 控制系统学会（CSS）与 IEEE 系统 -人与控制学会（SMC）联合主办，香港理工大学承办，聚焦量子控制、量子计算与学习等交叉研究领域。来自全球多国的顶尖专家学者齐聚一堂，围绕量子技术前沿议题展开深度研讨。值得关注的是，该会议作为纪念量子力学诞生 100 周年及 2025 年联合国量子科学和技术国际年的系列活动之一，兼具学术前瞻性与历史纪念意义。