哥本哈根大學(xué)尼爾斯-玻爾研究所（NBI）的一項新研究有望解決超靈敏量子傳感器開發(fā)中的關(guān)鍵障礙。

實驗設(shè)置示意圖

量子傳感器在監(jiān)測胎兒心跳以及其它精密醫(yī)療檢查方面展示了巨大的潛力。這類傳感器利用了原子尺度上的現(xiàn)象，因此它們的精度比當(dāng)今的傳統(tǒng)傳感器高得多。

哥本哈根大學(xué)NBI的研究人員成功克服了量子傳感器開發(fā)中的一個主要障礙，這項研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

所有的生命過程都涉及磁場和組織電導(dǎo)率的微小變化。量子傳感器能夠檢測到這些極細(xì)微的變化。然而，其關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，是將所需要的信號與各種類型的噪聲區(qū)分開來。NBI研究小組正致力于解決這個問題的研究。

該論文通訊作者、NBI的Eugene Polzik教授表示：“量子傳感器已成為納米技術(shù)的首批應(yīng)用之一。我們的發(fā)現(xiàn)使這類傳感器向現(xiàn)實應(yīng)用更進一步。預(yù)計幾年后我們將看到第一批實際應(yīng)用?！?/p>

除了心臟異常，量子傳感器還可以檢測其他幾種可能的生理異常。并且，所有檢測都不會對病人的休息造成干擾。例如大腦監(jiān)測等，都可以通過量子傳感器實現(xiàn)或改進。

監(jiān)聽來自量子世界的噪音

原子、電子和光子的行為可由量子力學(xué)來描述。這些粒子不僅具有給定的物理性質(zhì)，而且以一定的狀態(tài)存在。量子傳感方法從準(zhǔn)備用于讀取信號的光的量子態(tài)開始。對于想要檢測的力或場，光的量子態(tài)被發(fā)送到受它們影響的探針量子系統(tǒng)進行相互作用。經(jīng)過相互作用，光攜帶了被測量的信息，然后進行高精度地檢測。

Eugene Polzik教授解釋稱：“量子探針系統(tǒng)的設(shè)計需要量身定制，以適配需要檢測的信號。這是量子傳感的主要挑戰(zhàn)之一，因為很難完全消除不必要的噪聲?！?/p>

即使消除了傳統(tǒng)噪聲源（如房間里的電子設(shè)備等），量子力學(xué)的影響仍將存在。與傳統(tǒng)物理學(xué)不同，量子力學(xué)以概率函數(shù)或不確定性關(guān)系給出粒子的量子態(tài)及其他特性。

量子噪聲的來源之一，是與光粒子（光子）到達探測器相關(guān)的不確定性，這被稱為散粒噪聲。

此外，當(dāng)光子將其動量轉(zhuǎn)移到探針傳感器時，相互作用本身也是量子噪聲的來源，這被稱為量子反作用。

該團隊展示了一種“聽到”量子世界噪音的方法，進而將其去除，保留真正需要的信號。

研究人員通過實驗證明了宏觀原子自旋振蕩器在聲頻范圍內(nèi)的量子行為。在低至亞kHz范圍的振蕩頻率下，觀察到了自旋測量的量子反作用、光的有質(zhì)運動壓縮和虛擬彈簧軟化。識別了工作在近直流頻率范圍內(nèi)的自旋振蕩器的量子噪聲源特性，并提出了降低量子噪聲的方法。

具有正負(fù)有效質(zhì)量的原子振蕩器

天體物理學(xué)的未來應(yīng)用

除了醫(yī)學(xué)檢查，磁量子傳感器還有望應(yīng)用于其他領(lǐng)域。例如，引力波探測。最早由愛因斯坦在理論上給出了推測，現(xiàn)在，宇宙引力波的存在已經(jīng)得到了證實。

然而，由于引力波的特征與其他類型的宇宙信號相比較弱，因此，現(xiàn)有引力波監(jiān)測方法仍需改進。

磁量子傳感器結(jié)合引力波天線，有望給出應(yīng)對引力波監(jiān)測挑戰(zhàn)的答案，從而有助于更深入地了解宇宙的起源和發(fā)展。

審核編輯：彭菁