混合量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超精密傳感

丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出新型可調(diào)量子傳感技術(shù)——一種混合量子系統(tǒng)，能幫多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。其應(yīng)用前景廣闊，從探測(cè)宇宙中的引力波、監(jiān)測(cè)環(huán)境，到生物醫(yī)學(xué)診斷和成像。該突破性成果標(biāo)志著量子傳感技術(shù)邁入新階段，為醫(yī)療、天文、信息等多領(lǐng)域的技術(shù)革新提供了堅(jiān)實(shí)支撐。研究成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志上。

近年來(lái)，隨著量子光學(xué)發(fā)展，傳感器的靈敏度正不斷逼近一個(gè)被稱為“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”的理論邊界——由于在微觀尺度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不可避免地受到量子噪聲干擾所造成的限制。要突破這一極限，必須引入先進(jìn)的量子技術(shù)來(lái)抑制這些噪聲。利用量子糾纏等非經(jīng)典物理現(xiàn)象，可以有效突破這些傳統(tǒng)限制。

此次的新系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模糾纏，涉及多光子態(tài)與大型原子自旋系統(tǒng)之間的相互作用。這種獨(dú)特的技術(shù)組合，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“頻率相關(guān)壓縮”，從而動(dòng)態(tài)降低寬頻帶范圍內(nèi)的量子噪聲。這對(duì)于需要高靈敏度的引力波探測(cè)以及其他精密傳感技術(shù)至關(guān)重要。

具體而言，團(tuán)隊(duì)利用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：“壓縮光”是一種將量子噪聲壓縮至標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下的特殊光態(tài)，通常可以降低光的振幅或相位噪聲；而“負(fù)質(zhì)量”自旋系統(tǒng)由大量原子自旋組成，具備將噪聲符號(hào)從正轉(zhuǎn)負(fù)的能力。當(dāng)傳感器信號(hào)與該系統(tǒng)結(jié)合后，能有效抑制量子噪聲。

傳統(tǒng)方法要實(shí)現(xiàn)壓縮和噪聲抑制，往往依賴龐大的光學(xué)裝置。例如，LIGO和VIRGO引力波探測(cè)器就使用了長(zhǎng)達(dá)300米的光學(xué)諧振腔。而新系統(tǒng)可在桌面級(jí)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)類似性能，顯著提升了其實(shí)用性和部署靈活性。

在生物醫(yī)學(xué)方面，該混合量子系統(tǒng)可提高磁共振成像的空間分辨率，助力神經(jīng)退行性疾病的早期診斷；在天文學(xué)領(lǐng)域，有助于增強(qiáng)引力波探測(cè)器對(duì)時(shí)空漣漪的捕捉能力，推進(jìn)黑洞碰撞、中子星合并等宇宙事件研究；在基礎(chǔ)物理學(xué)方面，則有助于加深對(duì)宇宙起源和演化的理解。此外，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于量子通信和計(jì)算，支持量子中繼器、長(zhǎng)距離安全通信和量子網(wǎng)絡(luò)中的存儲(chǔ)單元發(fā)展。（記者張夢(mèng)然）

(責(zé)編：郝孟佳、李依環(huán))