中科大研發新型自旋量子放大技術,有望實現全新量子放大器

  澎湃新聞記者 王蕙蓉

  近日,中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室彭新華研究組在自旋量子精密測量領域取得重要進展,首次提出和驗證了Floquet自旋量子放大技術。

  前述技術克服了以往只在單個頻率處量子放大的局限性,實現了多頻段極弱磁場信號的量子放大,靈敏度達到了飛特斯拉(簡寫fT,即10的負十五次方特斯拉)水平。相關成果在線發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters),並被選為「編輯推薦」文章。

  隨著量子力學基礎研究和科學技術的發展,通過原子、分子、自旋等物理系統,可以實現微弱信號的量子增強放大。相比於基於經典電路的傳統放大技術,量子增強放大受限於更低的量子雜訊且具有更高的放大增益,為提升測量精度提供了強有力的研究手段,因此受到廣泛關注和研究。

  目前,量子放大技術已經在諸多測量過程發揮不可替代的作用,催生出許多革命性成果。例如,微波激射器、激光器、原子鐘,甚至宇宙微波背景輻射的首次發現等,諾Bell物理學獎也曾多次授予相關領域。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於量子系統固有的離散能級躍。由於可調諧性的限制,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,因此限制了量子放大器的性能,如工作帶寬、頻率和增益等。

  如果能夠克服前述困難,量子放大技術的性能將得到很大改善,對探測極弱電磁波和奇異粒子等基礎物理和實際應用具有重要意義。

  因此,研究人員提出了Floquet自旋量子放大技術,成功克服了以往探測頻率範圍小等限制,實現了對多個頻率的極弱磁場放大。這項技術得益於該組之前提出的「自旋放大技術」和「Floquet調製技術」,將二者有機結合,從而將量子放大技術推廣到Floquet自旋系統。

  據悉,Floquet物理在凝聚態物理領域已有悠久歷史,主要著眼於時域周期調製下新奇的非平衡物質態(如時間晶體)。

  在前述研究中,團隊利用Floquet調製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,從而具有很多獨特性質,使得系統形成了一系列等能量間距分佈的Floquet能級結構,在這些能級之間可以發生共振躍遷(如圖1),因此有效拓寬了磁場放大的頻率範圍。

圖2:磁探測靈敏度,圖片來自中科大

  通過理論計算和實驗研究,中科大團隊首次展示了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,測量靈敏度達到了飛特斯拉級級別。同時,首次將量子放大技術擴展到Floquet自旋系統,有望進一步推廣到其他量子放大器,實現全新的「Floquet量子放大器」。

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