中科大突破：量子相干增強(qiáng)技術(shù)革新磁力測量

作者：趙健翔 段躍初

在科學(xué)探索的前沿領(lǐng)域，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“中科大”）再次傳來振奮人心的消息。彭新華教授和江敏副教授團(tuán)隊(duì)在量子精密測量技術(shù)方面取得了重大突破，成功將磁力測量的靈敏度提高了 2500 倍，相關(guān)研究成果引發(fā)了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

量子精密測量技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究中占據(jù)著舉足輕重的地位。在這個(gè)領(lǐng)域中，相干時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素。通常情況下，更長的相干時(shí)間意味著更高的測量性能，這體現(xiàn)在磁力計(jì)靈敏度和原子鐘精度等方面。然而，實(shí)際研究過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)。局部噪聲和磁場不均勻性等不利因素如同“絆腳石”，會(huì)破壞量子系統(tǒng)的相干性，進(jìn)而限制其相干時(shí)間。長期以來，如何增強(qiáng)量子系統(tǒng)的相干時(shí)間一直是困擾科學(xué)界的難題。

中科大的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不懈努力，提出了基于協(xié)同自旋的量子相干增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)的原理獨(dú)特而精妙。團(tuán)隊(duì)利用銣原子（堿金屬原子）來測量氙原子（惰性氣體）的核自旋，之后再把信號(hào)轉(zhuǎn)化為磁場，并且實(shí)時(shí)反饋到核自旋上。在這一過程中，神奇的事情發(fā)生了。單個(gè)核自旋仿佛有了“智慧”，能夠根據(jù)集體的狀態(tài)校正自身的相位誤差。通過這樣的方式，團(tuán)隊(duì)成功將氙原子相干時(shí)間從原本的 30 秒大幅延長到了 540 秒。這一成果為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)對磁力計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。這一改進(jìn)帶來的效果是驚人的，磁力計(jì)對磁場的靈敏度提升了 2500 倍。如此高靈敏度的磁力計(jì)為科學(xué)研究開辟了新的可能性。研究人員指出，這種靈敏度極強(qiáng)的探測器在基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

在暗物質(zhì)研究方面，暗物質(zhì)一直是宇宙中神秘的存在，占據(jù)了宇宙物質(zhì)的絕大部分，但卻不與電磁輻射相互作用，極難被探測到。高靈敏度的磁力計(jì)或許能夠捕捉到暗物質(zhì)與普通物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的極其微弱的磁場信號(hào)，從而為揭開暗物質(zhì)的神秘面紗提供關(guān)鍵線索。

對于探索第五種基本相互作用而言，目前已知的四種基本相互作用構(gòu)建了我們對宇宙的基本認(rèn)知。如果存在第五種基本相互作用，必然會(huì)在極其微小的尺度上產(chǎn)生特殊的物理現(xiàn)象。中科大研發(fā)的高靈敏度磁力計(jì)有望檢測到這些微妙的變化，為發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律提供有力工具。

在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的研究中，標(biāo)準(zhǔn)模型是描述基本粒子及其相互作用的理論框架，但它并非完美無缺。隨著科學(xué)研究的深入，越來越多的現(xiàn)象暗示著存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。這種高靈敏度的探測器或許能夠發(fā)現(xiàn)一些不符合標(biāo)準(zhǔn)模型的異?，F(xiàn)象，推動(dòng)物理學(xué)向更高層次發(fā)展。

中科大此次的研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并且在中科大新聞網(wǎng)也有相關(guān)報(bào)道。這不僅是中科大科研實(shí)力的體現(xiàn)，更是我國在量子精密測量技術(shù)領(lǐng)域走向世界前沿的有力證明。相信在未來，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將會(huì)為人類探索宇宙奧秘、揭示物理規(guī)律帶來更多的驚喜和突破，讓我們拭目以待。同時(shí)，這也激勵(lì)著更多的科研人員投身于相關(guān)領(lǐng)域的研究，為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。期待中科大在后續(xù)的科研道路上繼續(xù)勇攀高峰，創(chuàng)造更多輝煌的科研成果。