中国科技大学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彭新华教授、江敏副教授团队在量子精密测量方面取得了重要进展，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。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。相关研究成果以“Cooperative spin amplifier for enhanced quantum sensing”为题发表于国际著名学术期刊《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”为题对该研究成果进行了亮点报道。

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，彭新华教授、江敏副教授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[见图(a)]。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[见图(b)]。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4fT/Hz1/2，超越了所使用碱金属磁力计本身的自旋投影噪声极限。

图：(a)惰性气体核自旋相干时间延长。 (b)基于协同自旋的磁场放大。

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0.1fT/Hz1/2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。