上海交通大学物理与天文学院讲席教授、李政道研究所双聘研究员张卫平与助理研究员包谷之等组成的团队继最近在Science子刊发表“量子孪生干涉仪”工作之后，再次取得突破，将该工作的原理应用于生物分子手性甄别之中，突破了传统光学手性测量技术的极限。相关研究工作以“Quantum-elevated Chiral Discrimination for Biomolecues”为题,近日发表于国际权威杂志《Science Advances》。
图1 量子增强手性甄别实验架构
手性是隐藏在物理、化学与生命体系中一种奇妙的镜像对称性破缺现象。光学手性甄别是揭示物质结构“左手”和“右手”手性差异的核心技术之一，在基础科学、药物研发、医学诊断、不对称催化以及生命手性起源探索等领域，扮演着不可替代的角色。然而，该技术的测量灵敏度和精度长期受限于激光光源的标准量子极限，这一物理限制成为光敏生物样品超灵敏无损检测的原理瓶颈。量子精密测量技术的发展为最终打破这一瓶颈提供了全新的途径。
在光敏生物传感的实际应用中，无损探测与高灵敏度往往难以双向兼顾。受标准量子极限的制约，为提高检测灵敏度通常需要增强探测激光的强度，而结果会引发显著的光热效应并加剧光化学反应，从而对生物样品造成损伤。受此矛盾制约，传统光学技术难以在低浓度生物手性样品中实现有效的精准、无损手性甄别。上海交通大学张卫平教授团队长期致力于量子精密测量研究。在此基础上，近来发展出“量子孪生干涉仪”[Sci. Adv. 11, eaea0816 (2025)]，兼具量子噪声抑制与高灵敏度特征。在量子孪生干涉仪的范式下，该团队进一步拓展偏振自由度的纠缠，制备出可用于手性测量的量子探针。
基于该探针与手性分子的旋光色散相互作用，通过偏振关联探测实现微弱偏振旋转信号的高精度和高灵敏度探测，从而完成不同异构体的甄别及对映体过量检测。在同等光强条件下，相较于传统激光探针，该量子探针的信噪比提升了5 dB，其可分辨的手性分子最低浓度也降至前者的约三分之一。此项研究为量子精密测量与生物、化学及医学等领域的交叉融合，开拓了新的前景。
图2 基于相干光（左图）与纠缠光（右图）探针的手性甄别实验对比
图3 基于相干光（左）与纠缠光（右）探针的异构体过量检测实验对比
上海交通大学为第一署名单位，博士后杨一泉为该文章第一作者，包谷之和张卫平为共同通讯作者，其他作者分别为胡晓龙、杜威、吴书贺、杨培玉。研究获得合肥国家实验室、上海市量子科学研究中心、国家自然科学基金委、量子科技创新2030计划、科技部重点研发计划、教育部、上海市科委和中国博士后基金会等支持。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8201
供稿：课题组
