量子光學 + 原子傳感器 = ？
發布時間：2023-05-18 1358人看過
上海交通大學物理與天文學院及李政道研究所張衛平教授團隊在量子精密測量研究方面取得重要進展。 該團隊基于光與原子混合體系，將其發展的相關量子光學技術與傳統磁力計相干融合，實現了在實際噪聲環境下可應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境的挑戰，突破磁場測量標準量子極限的制約，打破了國際上當前同類磁力計靈敏度的記錄，有望在心磁、腦磁測量中展現量子優勢，為開拓可實用的量子技術打開了新的空間。
相關研究成果近日以“Quantum Magnetic Gradiometer with Entangled Twin Light Beams”為題發表于Science子刊Science Advances上。
近年來，量子精密測量的研究與發展呈迅猛之勢，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注。然而，環境磁場噪聲、光學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用拓展的主要瓶頸。
根據量子光學理論，光學探測量子噪聲與自旋投影噪聲分別取決于系統敏感磁場的光子數與原子數，二者的多少限制了磁場測量的靈敏度，即所謂的標準量子極限。目前靈敏度最高的傳統原子磁力計——無自旋交換持豫（spin exchange relaxation free, SERF）磁力計，實現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）增加原子數來達到的。然而過高的工作溫度限制了其在生物醫療領域等方面的應用。在室溫下，原子數目較低，若想達到與SERF磁力計同樣水平的靈敏度，需要突破標準量子極限的制約，這是國際上該領域科學家關注的難題。
本次發表的工作，正是通過發展量子技術突破這一制約，解決磁力計在實際應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點巧妙結合，即抑制光場探測量子噪聲也同時消除實際環境中的共模磁場噪聲。
研究者將四波混頻（FWM）過程中產生的雙模壓縮場注入基于非線性磁光旋轉（nonlinear magnetic optical rotation, NMOR）的雙探針磁場梯度計中，使其雙探針測量產生量子關聯。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到5000，滿足實際應用工作需求；最終在20Hz處實現了磁場測量的最佳靈敏度為18fT/cm，是國際上首次在10Hz以內觀測到磁場測量的量子增強效應。這對原子磁力計在生物醫學等方向應用打開了新的空間。
