中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授、江敏副教授团队在量子精密测量方面取得了重要进展，成功制备出具有协同效应的原子核自旋，使核自旋相干时间延长到9分钟，并观测到协同自旋对极弱磁场的量子放大现象。进一步，提出了协同量子精密测量新技术，磁场测量的灵敏度突破了碱金属原子的标准量子极限。相关研究成果以“Cooperative spin amplifier for enhanced quantum sensing”为题发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 133, 133202 (2024)]。美国物理学会网站Physics Synopsis栏目以“Gases Team Up for Enhanced Coherence”为题对该研究成果进行了亮点报道。
量子系统的相干性对于量子技术的发展至关重要。对于量子精密测量技术而言，更长的相干时间通常意味着更高的测量性能，例如更高的磁力计灵敏度和原子钟精度。然而，局部噪声和磁场不均匀性等不利因素会破坏量子系统的相干性，限制其相干时间。因此，如何增强量子系统的相干时间一直是一个具有挑战性的科学问题。针对这一难题，彭新华教授、江敏副教授团队创新性地提出了基于协同自旋的量子相干增强技术。与独立自旋不同，协同自旋之间存在一定的关联性，能够相互感知。该方案通过碱金属原子测量惰性气体的核自旋，再将信号转化为磁场，实时反馈到核自旋上。在这种情况下，单个核自旋可以根据集体的状态校正自身的相位误差，最终达到增强自旋相干时间的效果。该技术将核自旋的相干时间从约30秒延长到约540秒[见图(a)]。利用相干时间延长的协同核自旋，该工作构建了一种新型的磁场量子放大器，成功实现三个数量级的磁场放大[见图(b)]。进一步，该工作将协同量子放大技术应用于极弱磁场测量，磁场灵敏度达到4 fT/√Hz，超越了所使用碱金属磁力计本身的自旋投影噪声极限。
图：(a)惰性气体核自旋相干时间延长。(b)基于协同自旋的磁场放大。
该工作在量子精密测量和基础物理领域具有潜在的应用价值。一方面，该方案适用于更广泛的实验体系，包括碱金属自旋和金刚石缺陷等。此外，协同增强技术也可以推广到其他量子传感技术，例如共磁力计和原子陀螺仪，有望大幅提升相应的传感性能指标，形成一类全新的“协同量子传感器”。另一方面，更高的探测灵敏度将有助于超越标准模型的基础物理研究，为暗物质、第五力等奇异物理搜寻提供全新手段。未来，通过选择自旋破坏截面更小的惰性气体-碱金属混合原子体系，有望进一步提高磁场测量灵敏度，突破0.1fT/√Hz的测量精度，创造磁场测量新纪录。这将为极弱磁场科学研究提供前所未有的测量精度，孕育重大科学新发现。
中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生徐旻翔为该论文的第一作者，彭新华教授、江敏副教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院的资助。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/
