量子技术取得重大进展，研究人员发现了一种令人惊讶的简单方法，仅使用一束激光就能保持原子自旋相干性。

科学家开发出一种效果惊人的技术来保存原子信息，解决了量子技术发展的一大障碍。该技术使用经过精确调整的单一激光照射原子气体，有助于同步其内部自旋，并大大减缓信息丢失速度。

在许多量子器件中，如传感器和存储系统，原子可能因相互碰撞或与容器壁碰撞而失去磁性排列（即自旋）。这一过程被称为自旋弛豫，会破坏这些技术的可靠性和准确性。以往的解决方案通常依赖于在超低磁场中操作和使用笨重的磁屏蔽设备。

新引入的方法避免了这些局限性。该方法不是屏蔽系统，而是利用激光轻轻调整原子的能态，使原子在运动和相互作用时保持自旋一致。这创造了一个更稳定的自旋环境，有助于抵抗退相干。在对热铯蒸气进行测试时，该方法将自旋损失减少了十倍，并显著提高了磁灵敏度。

这一发现证明，单一光束能够极大地延长原子自旋相干时间，为制造更小、更精确、更耐用的量子传感器、存储系统和磁力仪提供了一条更简单的途径。

希伯来大学应用物理系纳米科学和纳米技术中心的一组物理学家与康奈尔大学应用与工程物理学院合作，揭示了一种强大的新方法，可保护原子自旋免受环境“噪声”的干扰，这是提高量子传感器和导航系统等技术的精确度和耐用性的重要一步。

该研究发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），有可能给依赖磁传感和原子相干性的领域带来革命性变革。

为何此事至关重要

具有未成对电子的原子（如铯蒸气中的原子）具有“自旋”特性，能与磁场发生强烈相互作用，因此可用于超灵敏地测量磁场、重力，甚至大脑活动。但这些自旋特性非常不稳定。周围原子或容器壁带来的最微小的扰动都可能使它们失去方向，这一过程被称为自旋弛豫。迄今为止，保护这些自旋不受此类干扰需要复杂的设置，或只能在非常特定的条件下起作用。

这一新方法改变了这种状况。

激光作为防护罩

研究人员开发了一种技术，该技术使用单束精确调节的激光使原子自旋在磁场中的进动实现同步——即使原子在不断相互碰撞及其与周围环境碰撞的过程中也是如此。

设想这样一个场景：数百个微小的陀螺被局限在一个盒子里。通常，这些陀螺间的相互作用会扰乱它们的旋转状态，导致整个系统失去同步。在高磁场环境下，这种效应会更加显著，因为陀螺会更快地处理和改变它们的方向。然而，有一种特定方法利用光来维持系统内的同步状态，通过解决不同旋转状态之间的差异，光有效地让所有陀螺和谐旋转，防止混乱，即使在强磁场下也能使旋转实体间产生协同行为。这种方法凸显了光与原子自旋动力学之间迷人的相互作用。

研究人员将铯原子保持其自旋方向的时间延长了九倍。值得注意的是，即使原子在特殊抗弛豫涂层壁上来回反弹并频繁发生内部碰撞，这种保护也依然有效。

现实世界的潜力

该技术可显著提升依赖原子自旋的装置的性能，包括：

由于该方法适用于“温和”环境，且无需极度冷却或复杂的现场调试，因此与现有方法相比，该方法在实际应用中可能更具实用性。

原子物理的新领域

研究人员表示：“这种方法为保护量子系统免受噪声干扰开启了新篇章。通过利用原子的自然运动，并以光作为稳定器，我们现在可以在比以往更广泛的条件下保持相干性。”

该研究建立在数十年原子物理研究的基础之上，但这种简单、优雅的解决方案（利用光来协调原子）是一次飞跃。它可能为不久的将来更强大、更准确、更易获得的量子技术铺平道路。

参考文献：Avraham Berrebi、Mark Dikopoltsev、Ori Katz和Or Katz于2025年7月10日在《物理评论快报》上发表的“碱金属原子的自旋弛豫光学保护”。DOI：10.1103/fncz-b3yy

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