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中科大開發新型自旋量子放大技術

2022-06-25
來源:陳述根本

隨著測量精度的不斷提升,醫學、生物、天文、化學等各個領域的技術和研究得到了相應發展。可以說,測量精度每提高一個量級,都推動著科學的向前,甚至可能開辟一個新的研究領域。

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相比基于經典的測量技術,量子增強放大技術具有更高的效益。隨著科學家們對量子疊加和量子糾纏等特性進行深入研究,人類已經能夠直接對單個量子客體(光子、原子、分子、電子等)的狀態進行主動制備、精確操縱和測量,從而能夠以一種全新的“自下而上”的方式來利用量子規律認識和改造世界。科學家們認為,憑借量子的獨特效應,有望超越精密測量的經典極限。

然而,目前對量子放大精密測量技術的探索仍然有限。實現信號放大主要依賴于量子系統固有的離散能級躍,由于可調諧性的限制,量子系統固有離散躍遷頻率往往無法滿足放大需要的工作頻率,從而限制了量子放大器的性能。

為此,我國科學家突破性地將“自旋放大技術”和“Floquet調制技術”進行了有機結合,首次將量子放大技術推廣到Floquet自旋系統。成功克服了以往探測頻率范圍小等限制,實現了對多個頻率的極弱磁場放大。

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研究中,科學家們利用Floquet調制技術調控自旋的能級與量子態,將固有的二能級系統修飾為周期性驅動Floquet系統,因此使得系統形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級結構。在這些能級之間可以發生共振躍遷,從而能有效拓寬磁場放大的頻率范圍。

測試中,科學家們發現Floquet系統可以實現多個頻率待測磁場2個數量級的同時量子放大,靈敏度達到了飛特斯拉級級別(即10的負十五次方特斯拉),這無疑標志著自旋量子精密測量領域的重要突破。

量子放大技術已經在諸多測量過程中扮演著重要角色,催生出許多革命性成果,例如激光器、微波激射器、原子鐘,甚至宇宙微波背景輻射的發現。未來,該研究有望進一步推動量子精密測量技術的發展。




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