作者:彭新华等 来源:《物理评论快报》 发布时间:2024/10/9 10:24:01
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科学家提出协同量子精密测量新技术

 

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室教授彭新华、副教授江敏团队,成功制备出具有协同效应的原子核自旋,使核自旋相干时间延长到9分钟,并观测到协同自旋对极弱磁场的量子放大现象。他们进一步提出了协同量子精密测量新技术,磁场测量的灵敏度突破了碱金属原子的标准量子极限。相关研究成果发表于《物理评论快报》。

量子系统的相干性对于量子技术的发展至关重要。对于量子精密测量技术而言,更长的相干时间通常意味着更高的测量性能,例如更高的磁力计灵敏度和原子钟精度。然而,局部噪声和磁场不均匀性等不利因素会破坏量子系统的相干性,限制其相干时间。因此,如何增强量子系统的相干时间一直是一个具有挑战性的科学问题。

针对这一难题,彭新华、江敏团队创新性地提出了基于协同自旋的量子相干增强技术。与独立自旋不同,协同自旋之间存在一定的关联性,能够相互感知。该方案通过碱金属原子测量惰性气体的核自旋,再将信号转化为磁场,实时反馈到核自旋上。在这种情况下,单个核自旋可以根据集体的状态校正自身的相位误差,最终达到增强自旋相干时间的效果。该技术将核自旋的相干时间从约30秒延长到约540秒。利用相干时间延长的协同核自旋,该工作构建了一种新型的磁场量子放大器,成功实现三个数量级的磁场放大。进一步,该工作将协同量子放大技术应用于极弱磁场测量,磁场灵敏度达到4飞特斯拉每根号赫兹,超越了所使用碱金属磁力计本身的自旋投影噪声极限。

研究人员介绍,该工作在量子精密测量和基础物理领域具有潜在的应用价值。一方面,该方案适用于更广泛的实验体系,包括碱金属自旋和金刚石缺陷等。此外,协同增强技术也可以推广到其他量子传感技术,例如共磁力计和原子陀螺仪,有望大幅提升相应的传感性能指标,形成一类全新的“协同量子传感器”。另一方面,更高的探测灵敏度将有助于超越标准模型的基础物理研究,为暗物质、第五力等奇异物理搜寻提供全新手段。未来,通过选择自旋破坏截面更小的惰性气体-碱金属混合原子体系,有望进一步提高磁场测量灵敏度,突破0.1飞特斯拉每根号赫兹的测量精度,创造磁场测量新纪录。这将为极弱磁场科学研究提供前所未有的测量精度,孕育重大科学新发现。(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.133202

 
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