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教授、江敏副教授團隊在量子精密測量方面取得了重要進展，成功制備出具有協同效應的原子核自旋，使核自旋相干時間延長到9分鐘，并觀測到協同自旋對極弱磁場的量子放大現象。進一步，提出了協同量子精密測量新技術，磁場測量的靈敏度突破了堿金屬原子的標準量子極限。相關研究成果以“Cooperative spin amplifier for enhanced quantum sensing”為題發表于國際著名學術期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett.133, 133202 (2024)]。美國物理學會網站Physics Synopsis欄目以“Gases Team Up for Enhanced Coherence”為題對該研究成果進行了亮點報道。
量子系統的相干性對于量子技術的發展至關重要。對于量子精密測量技術而言，更長的相干時間通常意味著更高的測量性能，例如更高的磁力計靈敏度和原子鐘精度。然而，局部噪聲和磁場不均勻性等不利因素會破壞量子系統的相干性，限制其相干時間。因此，如何增強量子系統的相干時間一直是一個具有挑戰性的科學問題。針對這一難題，彭新華教授、江敏副教授團隊創新性地提出了基于協同自旋的量子相干增強技術。與獨立自旋不同，協同自旋之間存在一定的關聯性，能夠相互感知。該方案通過堿金屬原子測量惰性氣體的核自旋，再將信號轉化為磁場，實時反饋到核自旋上。在這種情況下，單個核自旋可以根據集體的狀態校正自身的相位誤差，最終達到增強自旋相干時間的效果。該技術將核自旋的相干時間從約30秒延長到約540秒[見圖(a)]。利用相干時間延長的協同核自旋，該工作構建了一種新型的磁場量子放大器，成功實現三個數量級的磁場放大[見圖(b)]。進一步，該工作將協同量子放大技術應用于極弱磁場測量，磁場靈敏度達到4fT/Hz1/2，超越了所使用堿金屬磁力計本身的自旋投影噪聲極限。
圖：(a)惰性氣體核自旋相干時間延長。(b)基于協同自旋的磁場放大。
該工作在量子精密測量和基礎物理領域具有潛在的應用價值。一方面，該方案適用于更廣泛的實驗體系，包括堿金屬自旋和金剛石缺陷等。此外，協同增強技術也可以推廣到其他量子傳感技術，例如共磁力計和原子陀螺儀，有望大幅提升相應的傳感性能指標，形成一類全新的“協同量子傳感器”。另一方面，更高的探測靈敏度將有助于超越標準模型的基礎物理研究，為暗物質、第五力等奇異物理搜尋提供全新手段。未來，通過選擇自旋破壞截面更小的惰性氣體-堿金屬混合原子體系，有望進一步提高磁場測量靈敏度，突破0.1fT/Hz1/2的測量精度，創造磁場測量新紀錄。這將為極弱磁場科學研究提供前所未有的測量精度，孕育重大科學新發現。
中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生徐旻翔為該論文的第一作者，彭新華教授、江敏副教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院的資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.133202
Synopsis in Physics：https://physics.aps.org/articles/v17/s116
（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）
