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中科大开发新型自旋量子放大技术

2022-06-25
来源:陈述根本

随着测量精度的不断提升,医学、生物、天文、化学等各个领域的技术和研究得到了相应发展。可以说,测量精度每提高一个量级,都推动着科学的向前,甚至可能开辟一个新的研究领域。

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相比基于经典的测量技术,量子增强放大技术具有更高的效益。随着科学家们对量子叠加和量子纠缠等特性进行深入研究,人类已经能够直接对单个量子客体(光子、原子、分子、电子等)的状态进行主动制备、精确操纵和测量,从而能够以一种全新的“自下而上”的方式来利用量子规律认识和改造世界。科学家们认为,凭借量子的独特效应,有望超越精密测量的经典极限。

然而,目前对量子放大精密测量技术的探索仍然有限。实现信号放大主要依赖于量子系统固有的离散能级跃,由于可调谐性的限制,量子系统固有离散跃迁频率往往无法满足放大需要的工作频率,从而限制了量子放大器的性能。

为此,我国科学家突破性地将“自旋放大技术”和“Floquet调制技术”进行了有机结合,首次将量子放大技术推广到Floquet自旋系统。成功克服了以往探测频率范围小等限制,实现了对多个频率的极弱磁场放大。

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研究中,科学家们利用Floquet调制技术调控自旋的能级与量子态,将固有的二能级系统修饰为周期性驱动Floquet系统,因此使得系统形成了一系列等能量间距分布的Floquet能级结构。在这些能级之间可以发生共振跃迁,从而能有效拓宽磁场放大的频率范围。

测试中,科学家们发现Floquet系统可以实现多个频率待测磁场2个数量级的同时量子放大,灵敏度达到了飞特斯拉级级别(即10的负十五次方特斯拉),这无疑标志着自旋量子精密测量领域的重要突破。

量子放大技术已经在诸多测量过程中扮演着重要角色,催生出许多革命性成果,例如激光器、微波激射器、原子钟,甚至宇宙微波背景辐射的发现。未来,该研究有望进一步推动量子精密测量技术的发展。




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