哈佛大學的最新研究透過自旋擠壓增強了量子感測器的能力，這是一種微調測量靈敏度的方法。這一突破可能會極大地改進從生物醫學成像到原子鐘的各種技術。

測量是每項科學成就和發現的基礎。 如今，由於量子感測技術的進步，科學家現在可以測量過去無法想像的現象，例如原子的振動、單一光子的特性以及與重力波相關的微妙波動。

一種很有前途的量子技術被稱為”自旋擠壓”，它有可能大大提高量子感測器的精確度。 然而，實現這項技術的難度可想而知。 在新的研究中，哈佛大學的物理學家讓自旋擠壓更接近實際應用。

自旋擠壓是量子糾纏的一種形式，它限制了一組粒子的波動程度。 這種限制允許對某些訊號進行更精確的測量，但代價是降低其他互補測量的精確度。 這類似於擠壓氣球，透過減少寬度來增加高度。

自旋擠壓是量子糾纏的一種形式，可以實現更精確的測量（中）。 哈佛大學的研究人員發現，自旋擠壓可以更普遍地發生在形成平面磁鐵的局部相互作用系統中（右圖）。 資料來源：葉秉田

透過量子力學提高測量精度

《自然-物理》（Nature Physics）上關於自旋擠壓的新論文的作者、物理學教授諾曼-姚（Norman Yao）說：”量子力學可以增強我們測量極小信號的能力。我們已經證明，有可能在一類比以前想像的要廣泛得多的系統中獲得這種量子增強計量學。

在氣球的比喻中，一個圓圈代表了任何量子測量所固有的不確定性，論文共同作者、前格里芬藝術與科學研究生院學生馬克斯韋爾-布洛克解釋。布洛克說：”透過擠壓這種不確定性，使氣球更像橢圓，就可以重塑測量的靈敏度。這意味著，某些測量可以比沒有量子力學的任何測量都更加精確。”

例如，在LIGO實驗中，自旋擠壓的類似方法被用來提高諾貝爾獎的重力波探測器的靈敏度。

量子增強的新策略

哈佛大學團隊的工作建立在1993 年發表的一篇具有里程碑意義的論文的基礎上，該論文首次描述了原子間”全對全”相互作用所產生的自旋擠壓糾纏態的可能性。 這種相互作用類似於大型Zoom 會議，其中每個參與者都同時與其他每個參與者互動。 在原子之間，這種連通性很容易建立起誘導自旋擠壓態所需的量子力學相關性。 然而，在自然界中，原子之間的相互作用通常更像是電話遊戲，一次只能與幾個鄰居通話。

“多年來，人們一直認為只有通過全對全的相互作用才能獲得真正的量子增強自旋擠壓，”論文的共同第一作者、前格里芬文理研究生院學生葉炳添說。 “但我們已經證明，這實際上要容易得多。”

研究人員在論文中概述了一種產生自旋擠壓糾纏的新策略。 他們直覺，並與法國的合作者一起透過實驗迅速證實，自旋擠壓的成分存在於自然界中常見的一種無處不在的磁性–鐵磁性，這也是使冰箱磁鐵粘住的力量。 他們認為，要實現自旋擠壓並不需要全對全的相互作用，相反，只要自旋連接得足夠好，能夠同步進入磁性狀態，它們也應該能夠動態地產生自旋擠壓。

量子感測的未來方向

研究人員樂觀地認為，透過降低自旋擠壓的障礙，他們的工作將為量子科學家和工程師創造更多便攜式感測器提供新的靈感，這些感測器將在生物醫學成像、原子鐘等領域發揮作用。

本著這種精神，姚目前正在領導實驗，以便在由氮空位中心製成的量子感測器中產生自旋擠壓。氮空位中心是鑽石晶體結構中的一種缺陷，長期以來一直被認為是理想的量子感測器。

編譯自/ SciTechDaily