哈佛大学的自旋挤压技术带动了量子传感期测量精度的进步

测量是每项科学成就和发现的基础。 如今，得益于量子传感技术的进步，科学家们现在可以测量过去无法想象的现象，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。

一种很有前途的量子技术被称为"自旋挤压"，它有可能大大提高量子传感器的精度。 然而，实现这一技术的难度可想而知。 在新的研究中，哈佛大学的物理学家们让自旋挤压更接近实际应用。

自旋挤压是量子纠缠的一种形式，它限制了一组粒子的波动程度。 这种限制允许对某些信号进行更精确的测量，但代价是降低其他互补测量的精确度。 这类似于挤压气球，通过减少宽度来增加高度。

自旋挤压是量子纠缠的一种形式，可以实现更精确的测量（中）。 哈佛大学的研究人员发现，自旋挤压可以更普遍地发生在形成平面磁体的局部相互作用系统中（右图）。 资料来源：叶秉田

通过量子力学提高测量精度

《自然-物理》（Nature Physics）上关于自旋挤压的新论文的作者、物理学教授诺曼-姚（Norman Yao）说："量子力学可以增强我们测量极小信号的能力。我们已经证明，有可能在一类比以前想象的要广泛得多的系统中获得这种量子增强计量学。"

在气球的比喻中，一个圆圈代表了任何量子测量所固有的不确定性，论文共同作者、前格里芬艺术与科学研究生院学生马克斯韦尔-布洛克解释说。布洛克说："通过挤压这种不确定性，使气球更像一个椭圆，就可以重塑测量的灵敏度。这意味着，某些测量可以比没有量子力学的任何测量都更加精确。"

例如，在LIGO实验中，自旋挤压的类似方法被用于提高获得诺贝尔奖的引力波探测器的灵敏度。

量子增强的新策略

哈佛大学团队的工作建立在 1993 年发表的一篇具有里程碑意义的论文的基础上，该论文首次描述了原子间"全对全"相互作用所产生的自旋挤压纠缠态的可能性。 这种相互作用类似于大型 Zoom 会议，其中每个参与者都同时与其他每个参与者相互作用。 在原子之间，这种连通性很容易建立起诱导自旋挤压态所需的量子力学相关性。 然而，在自然界中，原子之间的相互作用通常更像是电话游戏，一次只能与几个邻居通话。

"多年来，人们一直认为只有通过全对全的相互作用才能获得真正的量子增强自旋挤压，"论文的共同第一作者、前格里芬文理研究生院学生叶炳添说。"但我们已经证明，这实际上要容易得多。"

研究人员在论文中概述了一种产生自旋挤压纠缠的新策略。 他们凭直觉，并与法国的合作者一起通过实验迅速证实，自旋挤压的成分存在于自然界中常见的一种无处不在的磁性--铁磁性，这也是使冰箱磁铁粘住的力。 他们认为，实现自旋挤压并不需要全对全的相互作用，相反，只要自旋连接得足够好，能够同步进入磁性状态，它们也应该能够动态地产生自旋挤压。

量子传感的未来方向

研究人员乐观地认为，通过降低自旋挤压的障碍，他们的工作将为量子科学家和工程师创造更多便携式传感器提供新的灵感，这些传感器将在生物医学成像、原子钟等领域发挥作用。

本着这种精神，姚目前正在领导实验，以便在由氮空位中心制成的量子传感器中产生自旋挤压。氮空位中心是金刚石晶体结构中的一种缺陷，长期以来一直被认为是理想的量子传感器。

编译自/SciTechDaily