中科大研发新型自旋量子放大技术，有望实现全新量子放大器

澎湃新闻记者 王蕙蓉

近日，中科中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，大研大器首次提出和验证了Floquet自旋量子放大技术。发新放

前述技术克服了以往只在单个频率处量子放大的型自旋量局限性，实现了多频段极弱磁场信号的技术量子放大，灵敏度达到了飞特斯拉（简写fT，有望即10的实现负十五次方特斯拉）水平。相关成果在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），全新并被选为“编辑推荐”文章。量放

图片来自《物理评论快报》（Physical Review Letters）

随着量子力学基础研究和科学技术的中科发展，通过原子、大研大器分子、发新放自旋等物理系统，型自旋量可以实现微弱信号的技术量子增强放大。相比于基于经典电路的有望传统放大技术，量子增强放大受限于更低的量子噪声且具有更高的放大增益，为提升测量精度提供了强有力的研究手段，因此受到广泛关注和研究。

目前，量子放大技术已经在诸多测量过程发挥不可替代的作用，催生出许多革命性成果。例如，微波激射器、激光器、原子钟，甚至宇宙微波背景辐射的首次发现等，诺贝尔物理学奖也曾多次授予相关领域。然而目前对量子放大精密测量技术的探索仍然有限，实现信号放大主要依赖于量子系统固有的离散能级跃。由于可调谐性的限制，量子系统固有离散跃迁频率往往无法满足放大需要的工作频率，因此限制了量子放大器的性能，如工作带宽、频率和增益等。

如果能够克服前述困难，量子放大技术的性能将得到很大改善，对探测极弱电磁波和奇异粒子等基础物理和实际应用具有重要意义。

因此，研究人员提出了Floquet自旋量子放大技术，成功克服了以往探测频率范围小等限制，实现了对多个频率的极弱磁场放大。这项技术得益于该组之前提出的“自旋放大技术”和“Floquet调制技术”，将二者有机结合，从而将量子放大技术推广到Floquet自旋系统。

据悉，Floquet物理在凝聚态物理领域已有悠久历史，主要着眼于时域周期调制下新奇的非平衡物质态（如时间晶体）。

图1：（a）Floquet能级；（b）Flqouet量子自旋放大器原理图，图片来自中科大

在前述研究中，团队利用Floquet调制技术调控自旋的能级与量子态，将固有的二能级系统修饰为周期性驱动Floquet系统，从而具有很多独特性质，使得系统形成了一系列等能量间距分布的Floquet能级结构，在这些能级之间可以发生共振跃迁（如图1），因此有效拓宽了磁场放大的频率范围。

图2：磁探测灵敏度，图片来自中科大

通过理论计算和实验研究，中科大团队首次展示了Floquet系统可以实现多个频率待测磁场2个数量级的同时量子放大，测量灵敏度达到了飞特斯拉级级别。同时，首次将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统，有望进一步推广到其他量子放大器，实现全新的“Floquet量子放大器”。