量子測量技術(shù)獲突破 中科大開展暗物質(zhì)搜尋工作

量子測量旨在利用量子資源和效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測量精度，是原子物理、物理光學(xué)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的綜合技術(shù)。今年9月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振實(shí)驗(yàn)室彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)曾在該領(lǐng)域收獲了重要突破，成功制備出具有協(xié)同效應(yīng)的原子核自旋，使核自旋相干時(shí)間延長到9分鐘，并觀測到協(xié)同自旋對(duì)極弱磁場的量子放大現(xiàn)象。

　　量子相干性是量子力學(xué)中的一個(gè)重要概念，它描述了量子系統(tǒng)中粒子之間的相互作用和干涉效應(yīng)。在量子世界中，粒子的狀態(tài)可以用波函數(shù)來描述，而量子相干性指的就是這些波函數(shù)之間的關(guān)聯(lián)和相互作用。簡單來說，它反映了量子系統(tǒng)中不同狀態(tài)之間的協(xié)同和同步程度。而在實(shí)際應(yīng)用中，，局部噪聲和磁場不均勻性等不利因素都會(huì)影響量子系統(tǒng)的相干性，從而減少相干時(shí)間，影響到量子測量的精準(zhǔn)性。

　　彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)提出的基于協(xié)同自旋的量子相干增強(qiáng)技術(shù)則解決了這一難題。協(xié)同自旋之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，能夠相互感知這使得單個(gè)核自旋可以根據(jù)集體的狀態(tài)校正自身的相位誤差，終達(dá)到增強(qiáng)自旋相干時(shí)間的效果。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明，該技術(shù)能將核自旋的相干時(shí)間從約30秒延長到約540秒。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推進(jìn)，成功將磁場測量的靈敏度突破了堿金屬原子的標(biāo)準(zhǔn)量子。

　　而就在這個(gè)月11日，彭新華教授、江敏副教授團(tuán)隊(duì)再次獲得了新的突破，團(tuán)隊(duì)成功利用量子測量技術(shù)在軸子暗物質(zhì)探測方面取得重要進(jìn)展，成功在“軸子窗口”內(nèi)開展了軸子暗物質(zhì)的直接搜尋實(shí)驗(yàn)，將國際上的探測界限提升了至少50倍。

　　據(jù)悉，在此次工作中，研究人員利用了兩個(gè)相距60毫米的化氙-129原子系綜，在軸子窗口內(nèi)探測軸子暗物質(zhì)誘導(dǎo)的自旋相關(guān)相互作用，其中一個(gè)作為自旋傳感器，另一個(gè)作為自旋源。與此同時(shí)為了提高自旋的化度或者探測靈敏度，研究人員在氙-129原子系綜內(nèi)混入堿金屬Rb，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子系綜化矢量信號(hào)高達(dá)145倍的放大，構(gòu)建了一個(gè)超靈敏的軸子暗物質(zhì)探測器。

　　此外研究人員還設(shè)計(jì)了磁屏蔽系統(tǒng)來磁場信號(hào)的干擾，采用濾波技術(shù)來提高軸子暗物質(zhì)信號(hào)的信噪比。根據(jù)中科大新聞網(wǎng)報(bào)道內(nèi)容顯示，該團(tuán)隊(duì)終成功在軸子窗口內(nèi)給出了迄今為止強(qiáng)的中子-中子耦合界限，創(chuàng)造了新的國際紀(jì)錄，展現(xiàn)出量子測量技術(shù)在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的巨大潛力。