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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，該技術克服了以往只在單個頻率處量子放大的局限性，實現(xiàn)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水平。相關研究成果于6月9日以“Floquet Spin Amplification”為題在線發(fā)表于著名國際學術期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 128, 233201 (2022)]，并被選為“編輯推薦（Editors’Suggestion）”文章。
現(xiàn)代自然科學和物質文明是伴隨著測量精度的不斷提升而發(fā)展的。隨著量子力學基礎研究和科學技術的發(fā)展，通過原子、分子、自旋等物理系統(tǒng)可以實現(xiàn)微弱信號的量子增強放大。相比于基于經典電路的傳統(tǒng)放大技術，量子增強放大受限于更低的量子噪聲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，因此受到大家的廣泛關注和研究。目前，量子放大技術已經在諸多測量過程發(fā)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(fā)現(xiàn)等，諾貝爾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(xiàn)信號放大主要依賴于量子系統(tǒng)固有的離散能級躍，由于可調諧性的限制，量子系統(tǒng)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。如果能夠克服以上困難，量子放大技術的性能將可以得到很大改善，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。
成果示意圖：（a）Floquet能級；（b）Flqouet量子自旋放大器原理圖；（c）磁探測靈敏度。
針對以上難題，本文研究人員提出了Floquet自旋量子放大技術，成功克服了以往探測頻率范圍小等限制，實現(xiàn)了對多個頻率的極弱磁場放大。這項技術得益于該組之前提出的“自旋放大技術”[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]和“Floquet調制技術”[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]，將二者有機結合，從而將量子放大技術推廣到Floquet自旋系統(tǒng)：利用Floquet調制技術調控自旋的能級與量子態(tài)，將固有的二能級系統(tǒng)（如129Xe核自旋）修飾為周期性驅動Floquet系統(tǒng)，從而具有很多獨特的性質，使得系統(tǒng)形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級結構，在這些能級之間可以發(fā)生共振躍遷（如圖1），因此有效拓廣了磁場放大的頻率范圍。通過理論計算和實驗研究，首次展示了Floquet系統(tǒng)可以實現(xiàn)多個頻率待測磁場2個數(shù)量級的同時量子放大，測量靈敏度達到了飛特斯拉級級別。該工作首次將量子放大技術擴展到Floquet自旋系統(tǒng)，有望進一步推廣到其他量子放大器，實現(xiàn)全新的一類量子放大器——“Floquet量子放大器”。
彭新華研究組長期瞄準量子精密測量領域，利用量子精密測量技術來解決世界前沿科學問題。包括于2018年自主研發(fā)出超靈敏原子磁力計，并且利用該技術實現(xiàn)了無需磁場的新型核磁共振技術——“零磁場核磁共振”[Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)]；于2019年至2020年發(fā)展新型原子磁力儀技術[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020)，Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，達到了國際領先水平的磁場探測靈敏度；通過進一步研究，于2021年實現(xiàn)了新型的自旋微波激射器，在低頻段創(chuàng)造了國際最佳的磁探測靈敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，該研究組將已發(fā)展的平臺型量子精密測量技術用于尋找超越標準模型的新粒子，取得了一系列對推動學科領域發(fā)展有實質性貢獻的研究成果。包括于2021年利用新型量子自旋放大器搜尋暗物質候選粒子，首次突破國際公認最強的宇宙天文學界限[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]，以及實現(xiàn)了對一類超越標準模型的新相互作用的超靈敏檢驗，實驗界限比先前的國際最好水平提升至少2個數(shù)量級[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021)]。
中科院微觀磁共振重點實驗室江敏副研究員、博士研究生秦毓舒和王鑫為該文共同第一作者，彭新華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和安徽省的資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.233201
量子自旋放大技術論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01392-z
（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(chuàng)新研究院、科研部）
標簽： 量子放大技術
