近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組在自旋量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次提出和驗(yàn)證了Floquet自旋量子放大技術(shù)。

前述技術(shù)克服了以往只在單個(gè)頻率處量子放大的局限性，實(shí)現(xiàn)了多頻段極弱磁場(chǎng)信號(hào)的量子放大，靈敏度達(dá)到了飛特斯拉（簡(jiǎn)寫fT，即10的負(fù)十五次方特斯拉）水平。相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，并被選為“編輯推薦”文章。

圖片來(lái)自《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)

隨著量子力學(xué)基礎(chǔ)研究和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)原子、分子、自旋等物理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的量子增強(qiáng)放大。相比于基于經(jīng)典電路的傳統(tǒng)放大技術(shù)，量子增強(qiáng)放大受限于更低的量子噪聲且具有更高的放大增益，為提升測(cè)量精度提供了強(qiáng)有力的研究手段，因此受到廣泛關(guān)注和研究。

目前，量子放大技術(shù)已經(jīng)在諸多測(cè)量過(guò)程發(fā)揮不可替代的作用，催生出許多革命性成果。例如，微波激射器、激光器、原子鐘，甚至宇宙微波背景輻射的首次發(fā)現(xiàn)等，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也曾多次授予相關(guān)領(lǐng)域。然而目前對(duì)量子放大精密測(cè)量技術(shù)的探索仍然有限，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大主要依賴于量子系統(tǒng)固有的離散能級(jí)躍。由于可調(diào)諧性的限制，量子系統(tǒng)固有離散躍遷頻率往往無(wú)法滿足放大需要的工作頻率，因此限制了量子放大器的性能，如工作帶寬、頻率和增益等。

如果能夠克服前述困難，量子放大技術(shù)的性能將得到很大改善，對(duì)探測(cè)極弱電磁波和奇異粒子等基礎(chǔ)物理和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

因此，研究人員提出了Floquet自旋量子放大技術(shù)，成功克服了以往探測(cè)頻率范圍小等限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)頻率的極弱磁場(chǎng)放大。這項(xiàng)技術(shù)得益于該組之前提出的“自旋放大技術(shù)”和“Floquet調(diào)制技術(shù)”，將二者有機(jī)結(jié)合，從而將量子放大技術(shù)推廣到Floquet自旋系統(tǒng)。

據(jù)悉，F(xiàn)loquet物理在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域已有悠久歷史，主要著眼于時(shí)域周期調(diào)制下新奇的非平衡物質(zhì)態(tài)（如時(shí)間晶體）。

圖1：(a)Floquet能級(jí)；(b)Flqouet量子自旋放大器原理圖，圖片來(lái)自中科大

在前述研究中，團(tuán)隊(duì)利用Floquet調(diào)制技術(shù)調(diào)控自旋的能級(jí)與量子態(tài)，將固有的二能級(jí)系統(tǒng)修飾為周期性驅(qū)動(dòng)Floquet系統(tǒng)，從而具有很多獨(dú)特性質(zhì)，使得系統(tǒng)形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級(jí)結(jié)構(gòu)，在這些能級(jí)之間可以發(fā)生共振躍遷（如圖1），因此有效拓寬了磁場(chǎng)放大的頻率范圍。

圖2：磁探測(cè)靈敏度，圖片來(lái)自中科大

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，中科大團(tuán)隊(duì)首次展示了Floquet系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率待測(cè)磁場(chǎng)2個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)量子放大，測(cè)量靈敏度達(dá)到了飛特斯拉級(jí)級(jí)別。同時(shí)，首次將量子放大技術(shù)擴(kuò)展到Floquet自旋系統(tǒng)，有望進(jìn)一步推廣到其他量子放大器，實(shí)現(xiàn)全新的“Floquet量子放大器”。