哈佛大学的新研究通过自旋压缩（一种微调测量灵敏度的方法）提高了量子传感器的性能。

这一突破将极大地推动从生物医学成像到原子钟等一系列技术的发展。

探索量子传感技术的突破

测量是科学领域每项成就与发现的根基。如今，得益于量子传感技术的进步，科学家如今能够测量曾经难以想象的现象，例如原子的振动、单个光子的特性以及与引力波相关的微妙波动。

一种名为“自旋压缩”的、前途光明的量子技术有望极大地提高量子传感器的精度。然而，该技术却极难实现。在最新研究中，哈佛大学的物理学家们已使自旋压缩技术离实际应用更近一步。

自旋压缩是一种量子纠缠的形式，它限制了粒子群波动的幅度。这种限制使得某些信号的测量更加精确，尽管是以牺牲其他互补测量的准确性为代价的。这类似于挤压气球——以牺牲宽度为代价来增加高度。

通过量子力学提高测量精度

“量子力学可以提高我们测量微弱信号的能力，”物理学教授诺曼·姚（Norman Yao）说，他也是在《自然·物理》（Nature Physics）上发表关于自旋压缩新论文的作者。“我们已经证明，在比先前认为的更广泛的系统中，实现这种量子增强测量是可能的。”

论文合著者、前格里芬文理研究生院学生麦克斯韦·布洛克用气球的比喻解释说，圆圈代表任何量子测量固有的不确定性。“通过压缩这种不确定性，让气球更像椭圆，就可以重塑测量的灵敏度，”布洛克说，“这意味着某些测量的精度能够超越不使用量子力学所能达到的极限。”

例如，自旋压缩的类似物被用于提高LIGO实验中诺贝尔获奖引力波探测器的灵敏度。

量子增强的新策略

哈佛团队的研究基于一篇具有里程碑意义的1993年论文，该论文首次描述了由原子间“全部对全部”相互作用产生的自旋压缩纠缠态的可能性。这种相互作用类似于大型Zoom会议，其中每个参与者都在同时与其他所有参与者进行互动。在原子之间，这种连接性可以轻松地建立起诱发自旋压缩态所需的量子力学相关性。然而，在自然界中，原子的相互作用方式通常更像是一场传话游戏，一次只能与少数邻近原子发生作用。

“多年来，人们一直认为，只有通过全连接相互作用，才能实现真正的量子增强的自旋压缩，”该论文的联合第一作者、格里芬文理研究生院前学生叶丙天说，“但我们证明，其实要容易得多。”

在这篇论文中，研究者们概述了一种生成自旋压缩纠缠态的新策略。他们凭直觉判断，并与法国合作者一起迅速通过实验证实，在自然界中普遍存在的一种磁性——铁磁性中存在着实现自旋压缩的成分，这种磁性也是冰箱贴能吸附在冰箱上的原因。他们认为，实现自旋压缩并不一定需要全连接相互作用，只要自旋能够很好地同步到磁性状态，它们就应该能够动态地产生自旋压缩。

量子传感的未来发展方向

研究人员对此持乐观态度，认为通过这样降低自旋压缩的壁垒，他们的工作将启发量子科学家和工程师找到新方法，从而制造出更多便携式传感器，这些传感器在生物医学成像、原子钟等领域都非常有用。

秉承这一精神，姚（Yao）目前正在领导一项实验，该实验旨在利用氮空位中心制造量子传感器，从而生成自旋压缩。氮空位中心是金刚石晶体结构中的一种缺陷，长期以来被公认为是理想的量子传感器。

参考文献：2024年7月29日，《自然·物理》期刊上发表的，由麦克斯韦·布洛克、叶秉天、布伦登·罗伯茨、萨布丽娜·彻恩、吴玮杰、王子林、洛德·波莱特、艾米丽·J·戴维斯、伯特兰·I·哈尔佩林和诺曼·Y·姚共同撰写的“有限温度易平面磁性中的可扩展自旋压缩”。DOI：10.1038/s41567-024-02562-5

该研究得到了以下联邦机构的支持：陆军研究办公室、海军研究办公室、能源部、国防部和国家科学基金会。