中国科大提出协同量子精密测量新技术

　　中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室彭新华传授、江敏副传授团队正在量子紧密丈量方面取患了重要进展，胜利制备出具备协同效应的原子核自旋，使核自旋相关时间延伸到9分钟，并观测到协同自旋对极弱磁场的量子缩小征象。进一步，提出了协同量子紧密丈量新技能，磁场丈量的活络度冲破了碱金属原子的尺度量子极限。相干研究结果以“Cooperative spin amplifier for enhanced quantum sensing”为题颁发于国际闻名学术期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 133, 133202 (2024)]。美国物理学会网站Physics Synopsis栏目以“Gases Team Up for Enhanced Coherence”为题对该研究结果举行了走光报导。

　　量子体系的相关性关于量子技能的成长相当重要。关于量子紧密丈量技能而言，更长的相关时间凡是象征着更高的丈量机能，例如更高的磁力计活络度以及原子钟精度。然而，部分噪声以及磁场没有匀称性等倒霉要素会粉碎量子体系的相关性，限定其相关时间。是以，怎样加强量子体系的相关时间不断是一个具备应战性的迷信问题。针对这一难题，彭新华传授、江敏副传授团队立异性地提出了基于协同自旋的量子相关加强技能。与自力自旋没有同，协同自旋之间存正在必定的联系关系性，可以或许彼此感知。该方案经由过程碱金属原子丈量惰性气体的核自旋，再将旌旗灯号转化为磁场，及时反馈到核自旋上。正在这类环境下，单个核自旋可以凭据团体的状况校对本身的相位误差，终极到达加强自旋相关时间的效果。该技能将核自旋的相关时间从约30秒延伸到约540秒[见图(a)]。哄骗相关时间延伸的协同核自旋，该事情构建了一种新型的磁场量子缩小器，胜利完成三个数目级的磁场缩小[见图(b)]。进一步，该事情将协同量子缩小技能使用于极弱磁场丈量，磁场活络度到达4fT/Hz^1/2，超出了所应用碱金属磁力计自身的自旋投影噪声极限。

图：(a)惰性气体核自旋相关时间延伸。(b)基于协同自旋的磁场缩小。

　　该事情正在量子紧密丈量以及根蒂根基物理范畴具备潜正在的使用价值。一方面，该方案合用于更普遍的试验系统，包含碱金属自旋以及金刚石缺陷等。此外，协同加强技能也能够推广到其余量子传感技能，例如共磁力计以及原子陀螺仪，无望年夜幅晋升响应的传理性能指标，造成一类全新的“协同量子传感器”。另外一方面，更高的探测活络度将有助于超出尺度模子的根蒂根基物理研究，为暗物资、第五力等怪异物理征采供给全新手腕。将来，经由过程抉择自旋粉碎截面更小的惰性气体-碱金属混淆原子系统，无望进一步普及磁场丈量活络度，冲破0.1fT/Hz^1/2的丈量精度，制造磁场丈量新纪录。这将为极弱磁场迷信研究供给史无前例的丈量精度，孕育重年夜迷信新发明。

　　中国迷信院宏观磁共振重点试验室博士研究生徐旻翔为该论文的第一作者，彭新华传授、江敏副传授为该文通信作者。该研究获得了科技部、国度天然迷信基金委、中国迷信院的赞助。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133202

　　Synopsis in Physics：https://physics.aps.org/articles/v17/s116