量子光學(xué) + 原子傳感器 = ？
發(fā)布時間：2023-05-18 1038人看過
上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院及李政道研究所張衛(wèi)平教授團隊在量子精密測量研究方面取得重要進(jìn)展。 該團隊基于光與原子混合體系，將其發(fā)展的相關(guān)量子光學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)磁力計相干融合，實現(xiàn)了在實際噪聲環(huán)境下可應(yīng)用于低頻段的量子增強的原子磁場梯度計。
該項研究針對地磁和嘈雜磁場環(huán)境的挑戰(zhàn)，突破磁場測量標(biāo)準(zhǔn)量子極限的制約，打破了國際上當(dāng)前同類磁力計靈敏度的記錄，有望在心磁、腦磁測量中展現(xiàn)量子優(yōu)勢，為開拓可實用的量子技術(shù)打開了新的空間。
相關(guān)研究成果近日以“Quantum Magnetic Gradiometer with Entangled Twin Light Beams”為題發(fā)表于Science子刊Science Advances上。
近年來，量子精密測量的研究與發(fā)展呈迅猛之勢，特別是基于光與原子相互作用的原子磁力計，因其靈敏度高、易于小型化而備受關(guān)注。然而，環(huán)境磁場噪聲、光學(xué)探測量子噪聲和自旋投影噪聲一直是限制原子磁力計性能提升及其應(yīng)用拓展的主要瓶頸。
根據(jù)量子光學(xué)理論，光學(xué)探測量子噪聲與自旋投影噪聲分別取決于系統(tǒng)敏感磁場的光子數(shù)與原子數(shù)，二者的多少限制了磁場測量的靈敏度，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。目前靈敏度最高的傳統(tǒng)原子磁力計——無自旋交換持豫（spin exchange relaxation free, SERF）磁力計，實現(xiàn)高靈敏度的方法是通過提升原子池的工作溫度（通常在120°C）增加原子數(shù)來達(dá)到的。然而過高的工作溫度限制了其在生物醫(yī)療領(lǐng)域等方面的應(yīng)用。在室溫下，原子數(shù)目較低，若想達(dá)到與SERF磁力計同樣水平的靈敏度，需要突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的制約，這是國際上該領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的難題。
本次發(fā)表的工作，正是通過發(fā)展量子技術(shù)突破這一制約，解決磁力計在實際應(yīng)用中所存在局限性的一次重大突破。研究團隊提出利用孿生光束探測的方法，將量子光場與磁場梯度計的優(yōu)點巧妙結(jié)合，即抑制光場探測量子噪聲也同時消除實際環(huán)境中的共模磁場噪聲。
研究者將四波混頻（FWM）過程中產(chǎn)生的雙模壓縮場注入基于非線性磁光旋轉(zhuǎn)（nonlinear magnetic optical rotation, NMOR）的雙探針磁場梯度計中，使其雙探針測量產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)。在實驗中，觀測到磁力計的噪聲功率譜降低了5.5dB，是磁力計中觀測到的最大量子提升；量子增強的頻率從7Hz到6MHz，覆蓋心磁、腦磁頻率范圍；梯度計的共模抑制比達(dá)到5000，滿足實際應(yīng)用工作需求；最終在20Hz處實現(xiàn)了磁場測量的最佳靈敏度為18fT/cm，是國際上首次在10Hz以內(nèi)觀測到磁場測量的量子增強效應(yīng)。這對原子磁力計在生物醫(yī)學(xué)等方向應(yīng)用打開了新的空間。
