中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量方面取得了重要進(jìn)展，成功制備出具有協(xié)同效應(yīng)的原子核自旋，使核自旋相干時(shí)間延長(zhǎng)到9分鐘，并觀測(cè)到協(xié)同自旋對(duì)極弱磁場(chǎng)的量子放大現(xiàn)象。進(jìn)一步，提出了協(xié)同量子精密測(cè)量新技術(shù)，磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度突破了堿金屬原子的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。相關(guān)研究成果以“Cooperative spin amplifier for enhanced quantum sensing”為題發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett.133, 133202 (2024)]。美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics Synopsis欄目以“Gases Team Up for Enhanced Coherence”為題對(duì)該研究成果進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道。

　　量子系統(tǒng)的相干性對(duì)于量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。對(duì)于量子精密測(cè)量技術(shù)而言，更長(zhǎng)的相干時(shí)間通常意味著更高的測(cè)量性能，例如更高的磁力計(jì)靈敏度和原子鐘精度。然而，局部噪聲和磁場(chǎng)不均勻性等不利因素會(huì)破壞量子系統(tǒng)的相干性，限制其相干時(shí)間。因此，如何增強(qiáng)量子系統(tǒng)的相干時(shí)間一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。針對(duì)這一難題，彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于協(xié)同自旋的量子相干增強(qiáng)技術(shù)。與獨(dú)立自旋不同，協(xié)同自旋之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，能夠相互感知。該方案通過堿金屬原子測(cè)量惰性氣體的核自旋，再將信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)反饋到核自旋上。在這種情況下，單個(gè)核自旋可以根據(jù)集體的狀態(tài)校正自身的相位誤差，最終達(dá)到增強(qiáng)自旋相干時(shí)間的效果。該技術(shù)將核自旋的相干時(shí)間從約30秒延長(zhǎng)到約540秒[見圖(a)]。利用相干時(shí)間延長(zhǎng)的協(xié)同核自旋，該工作構(gòu)建了一種新型的磁場(chǎng)量子放大器，成功實(shí)現(xiàn)三個(gè)數(shù)量級(jí)的磁場(chǎng)放大[見圖(b)]。進(jìn)一步，該工作將協(xié)同量子放大技術(shù)應(yīng)用于極弱磁場(chǎng)測(cè)量，磁場(chǎng)靈敏度達(dá)到4fT/Hz1/2，超越了所使用堿金屬磁力計(jì)本身的自旋投影噪聲極限。

　　該工作在量子精密測(cè)量和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。一方面，該方案適用于更廣泛的實(shí)驗(yàn)體系，包括堿金屬自旋和金剛石缺陷等。此外，協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)也可以推廣到其他量子傳感技術(shù)，例如共磁力計(jì)和原子陀螺儀，有望大幅提升相應(yīng)的傳感性能指標(biāo)，形成一類全新的“協(xié)同量子傳感器”。另一方面，更高的探測(cè)靈敏度將有助于超越標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)物理研究，為暗物質(zhì)、第五力等奇異物理搜尋提供全新手段。未來，通過選擇自旋破壞截面更小的惰性氣體-堿金屬混合原子體系，有望進(jìn)一步提高磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度，突破0.1fT/Hz1/2的測(cè)量精度，創(chuàng)造磁場(chǎng)測(cè)量新紀(jì)錄。這將為極弱磁場(chǎng)科學(xué)研究提供前所未有的測(cè)量精度，孕育重大科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

　　中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生徐旻翔為該論文的第一作者，彭新華教授、江敏副教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院的資助。

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133202

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

　　（中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）