隨著測量精度的不斷提升,醫(yī)學(xué)、生物、天文、化學(xué)等各個領(lǐng)域的技術(shù)和研究得到了相應(yīng)發(fā)展??梢哉f,測量精度每提高一個量級,都推動著科學(xué)的向前,甚至可能開辟一個新的研究領(lǐng)域。
相比基于經(jīng)典的測量技術(shù),量子增強放大技術(shù)具有更高的效益。隨著科學(xué)家們對量子疊加和量子糾纏等特性進行深入研究,人類已經(jīng)能夠直接對單個量子客體(光子、原子、分子、電子等)的狀態(tài)進行主動制備、精確操縱和測量,從而能夠以一種全新的“自下而上”的方式來利用量子規(guī)律認識和改造世界??茖W(xué)家們認為,憑借量子的獨特效應(yīng),有望超越精密測量的經(jīng)典極限。
然而,目前對量子放大精密測量技術(shù)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(diào)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,從而限制了量子放大器的性能。
為此,我國科學(xué)家突破性地將“自旋放大技術(shù)”和“Floquet調(diào)制技術(shù)”進行了有機結(jié)合,首次將量子放大技術(shù)推廣到Floquet自旋系統(tǒng)。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。
研究中,科學(xué)家們利用Floquet調(diào)制技術(shù)調(diào)控自旋的能級與量子態(tài),將固有的二能級系統(tǒng)修飾為周期性驅(qū)動Floquet系統(tǒng),因此使得系統(tǒng)形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級結(jié)構(gòu)。在這些能級之間可以發(fā)生共振躍遷,從而能有效拓寬磁場放大的頻率范圍。
測試中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)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,靈敏度達到了飛特斯拉級級別(即10的負十五次方特斯拉),這無疑標志著自旋量子精密測量領(lǐng)域的重要突破。
量子放大技術(shù)已經(jīng)在諸多測量過程中扮演著重要角色,催生出許多革命性成果,例如激光器、微波激射器、原子鐘,甚至宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。未來,該研究有望進一步推動量子精密測量技術(shù)的發(fā)展。