中科大研发新型自旋量子放大技术,有望实现全新量子放大器

今日热点 2022-06-22 09:23 15

摘要:近日,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研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展,首次提出和验证了广东暴雨现身10级大风上线助阵Floque...

近日,中央环保督察三类典型案例公布:环境污染、生态破坏、弄虚作假中国科学院、中国科学技术大学微磁共振重点实验室彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展。首次在广东借助10级大风提出并验证了Floquet自旋量子放大技术。

前述技术克服了以往量子放大只能在单一频率的局限,实现了多频段极弱磁场信号的量子放大,灵敏度达到了飞特斯拉(缩写为fT,即10的负15特斯拉)的水平。相关成果在线发表于《物理评论快报》(物理评论快报),入选“编辑推荐”文章。图片来自《物理评论快报》(Physical  Review  Letters)

图片来自《物理评论快报》(物理评论快报)

随着量子力学的基础研究和科学技术的发展,可以通过原子、分子、自旋等物理系统实现微弱信号的量子增强放大。与基于经典电路的传统放大技术相比,量子增强型放大受限于较低的量子噪声和较高的放大增益,为提高测量精度提供了有力的研究手段,因此在关注得到了广泛的研究

目前,量子放大技术在许多测量过程中发挥了不可替代的作用,诞生了许多革命性的成果。比如微波激射器、激光器、原子钟,甚至宇宙微波背景辐射的首次发现等等。诺贝尔物理学奖多次授予相关领域。然而,目前对量子放大的精密测量技术的探索仍然有限,信号放大的实现主要依靠量子系统固有的离散能级跳变。由于可调谐性的限制,量子系统固有的离散跃迁频率往往不能满足放大所需的工作频率,限制了量子放大器的工作带宽、频率、增益等性能。

如果能够克服上述困难,量子放大技术的性能将得到大幅提升,对探测极弱电磁波、奇异粒子等基础物理和实际应用具有重要意义。

因此,研究人员提出了Floquet自旋量子放大技术,成功克服了以往探测频率范围的限制,实现了多个频率的极弱磁场放大。该技术得益于该小组此前提出的“自旋放大技术”和“Floquet调制技术”,并将二者有机结合,从而将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统。

据悉,Floquet物理在凝聚态物理领域有着悠久的历史,主要研究在时域周期调制下的新颖非平衡物质态(如时间晶体)。图1:(a)Floquet能级;(b)Flqouet量子自旋放大器原理图,图片来自中科大

图1: (a)弗洛凯能级;(b)b)Flqouet量子自旋放大器示意图,图片来自中科大。

在之前的研究中,团队利用Floquet调制技术控制自旋的能级和量子态,将固有的二能级系统修改为周期驱动的Floquet系统,该系统具有许多独特的性质,使得系统形成一系列能量间隔分布相等的Floquet能级,这些能级之间可以发生共振跃迁(如图1所示),从而有效拓宽了磁场放大的频率范围。图2:磁探测灵敏度,图片来自中科大

图2:磁检测灵敏度,图片来自中科大。

通过理论计算和实验研究,中科大团队首次论证了Floquet系统可以实现多个频率下两个数量级待测磁场的同时量子放大,测量灵敏度达到了Fettesla的水平。同时,首次将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统,有望进一步扩展到其他量子放大器,实现一种全新的“Floquet量子放大器”。

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