一项新研究有望解决超灵敏量子传感器开发中的关键障碍

哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的一项新研究有望解决超灵敏量子传感器开发中的关键障碍。

实验设置示意图

量子传感器在监测胎儿心跳以及其它精密医疗检查方面展示了巨大的潜力。这类传感器利用了原子尺度上的现象，因此它们的精度比当今的传统传感器高得多。

哥本哈根大学NBI的研究人员成功克服了量子传感器开发中的一个主要障碍，这项研究成果已发表于Nature Communications期刊。

所有的生命过程都涉及磁场和组织电导率的微小变化。量子传感器能够检测到这些极细微的变化。然而，其关键挑战之一，是将所需要的信号与各种类型的噪声区分开来。NBI研究小组正致力于解决这个问题的研究。

该论文通讯作者、NBI的Eugene Polzik教授表示：“量子传感器已成为纳米技术的首批应用之一。我们的发现使这类传感器向现实应用更进一步。预计几年后我们将看到第一批实际应用。”

除了心脏异常，量子传感器还可以检测其他几种可能的生理异常。并且，所有检测都不会对病人的休息造成干扰。例如大脑监测等，都可以通过量子传感器实现或改进。

监听来自量子世界的噪音

原子、电子和光子的行为可由量子力学来描述。这些粒子不仅具有给定的物理性质，而且以一定的状态存在。量子传感方法从准备用于读取信号的光的量子态开始。对于想要检测的力或场，光的量子态被发送到受它们影响的探针量子系统进行相互作用。经过相互作用，光携带了被测量的信息，然后进行高精度地检测。

Eugene Polzik教授解释称：“量子探针系统的设计需要量身定制，以适配需要检测的信号。这是量子传感的主要挑战之一，因为很难完全消除不必要的噪声。”

即使消除了传统噪声源（如房间里的电子设备等），量子力学的影响仍将存在。与传统物理学不同，量子力学以概率函数或不确定性关系给出粒子的量子态及其他特性。

量子噪声的来源之一，是与光粒子（光子）到达探测器相关的不确定性，这被称为散粒噪声。

此外，当光子将其动量转移到探针传感器时，相互作用本身也是量子噪声的来源，这被称为量子反作用。

该团队展示了一种“听到”量子世界噪音的方法，进而将其去除，保留真正需要的信号。

研究人员通过实验证明了宏观原子自旋振荡器在声频范围内的量子行为。在低至亚kHz范围的振荡频率下，观察到了自旋测量的量子反作用、光的有质运动压缩和虚拟弹簧软化。识别了工作在近直流频率范围内的自旋振荡器的量子噪声源特性，并提出了降低量子噪声的方法。

具有正负有效质量的原子振荡器

天体物理学的未来应用

除了医学检查，磁量子传感器还有望应用于其他领域。例如，引力波探测。最早由爱因斯坦在理论上给出了推测，现在，宇宙引力波的存在已经得到了证实。

然而，由于引力波的特征与其他类型的宇宙信号相比较弱，因此，现有引力波监测方法仍需改进。

磁量子传感器结合引力波天线，有望给出应对引力波监测挑战的答案，从而有助于更深入地了解宇宙的起源和发展。

审核编辑：彭菁