科技日報記者 張夢然
丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所團隊開發(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)實現(xiàn)更高精度的測量。其應(yīng)用前景廣闊，從探測宇宙中的引力波、監(jiān)測環(huán)境，到生物醫(yī)學診斷和成像。該突破性成果標志著量子傳感技術(shù)邁入新階段，為醫(yī)療、天文、信息等多領(lǐng)域的技術(shù)革新提供了堅實支撐。研究成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志上。
實驗裝置的大小大致相當于一張普通餐桌的尺寸。圖片來源：丹麥哥本哈根大學
近年來，隨著量子光學發(fā)展，傳感器的靈敏度正不斷逼近一個被稱為“標準量子極限”的理論邊界——由于在微觀尺度進行測量時，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，必須引入先進的量子技術(shù)來抑制這些噪聲。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”，從而動態(tài)降低寬頻帶范圍內(nèi)的量子噪聲。這對于需要高靈敏度的引力波探測以及其他精密傳感技術(shù)至關(guān)重要。
具體而言，團隊利用了兩種關(guān)鍵技術(shù)：“壓縮光”是一種將量子噪聲壓縮至標準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“負質(zhì)量”自旋系統(tǒng)由大量原子自旋組成，具備將噪聲符號從正轉(zhuǎn)負的能力。當傳感器信號與該系統(tǒng)結(jié)合后，能有效抑制量子噪聲。
傳統(tǒng)方法要實現(xiàn)壓縮和噪聲抑制，往往依賴龐大的光學裝置。例如，LIGO和VIRGO引力波探測器就使用了長達300米的光學諧振腔。而新系統(tǒng)可在桌面級設(shè)備上實現(xiàn)類似性能，顯著提升了其實用性和部署靈活性。
在生物醫(yī)學方面，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；在天文學領(lǐng)域，有助于增強引力波探測器對時空漣漪的捕捉能力，推進黑洞碰撞、中子星合并等宇宙事件研究；在基礎(chǔ)物理學方面，則有助于加深對宇宙起源和演化的理解。此外，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于量子通信和計算，支持量子中繼器、長距離安全通信和量子網(wǎng)絡(luò)中的存儲單元發(fā)展。
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-2-2853-0.html從探測引力波到醫(yī)學成像——混合量子系統(tǒng)實現(xiàn)超精密傳感
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