新研究提出用光為量子自旋“護航”
更新時間：2025/7/15 16:11:49 來源：新華社
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以色列和美國的研究人員日前在美國《物理評論快報》上發(fā)表論文說，他們合作發(fā)現(xiàn)了一種利用激光束保護原子“自旋”不受干擾的全新方法，為提升量子傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的穩(wěn)定性和實用性打開新路徑。
在量子技術(shù)中，原子內(nèi)部的磁性取向（即“自旋”）是存儲和感知信息的核心。然而，當(dāng)原子相互碰撞或撞擊容器壁時，自旋容易失去同步，即所謂“自旋弛豫”現(xiàn)象，導(dǎo)致信息丟失。長期以來，這一問題限制了量子設(shè)備的性能與穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)上，科學(xué)家往往通過在極低磁場環(huán)境中結(jié)合復(fù)雜笨重的磁屏蔽結(jié)構(gòu)來延緩這種信息丟失。來自耶路撒冷希伯來大學(xué)和美國康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，使用一束經(jīng)過精確調(diào)諧的激光照射原子氣體，可顯著降低這一信息丟失速度。研究團隊通過對溫?zé)岬匿C蒸氣進行實驗，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可使原子的自旋保持同步，即使在頻繁碰撞或與容器壁接觸的條件下，仍能保持較長時間的“相干態(tài)”。實驗結(jié)果顯示，原子自旋的衰減速度減少了約90%，磁靈敏度顯著增強。
研究人員將這項技術(shù)稱為“光學(xué)保護”，它通過激光細致調(diào)整原子能級，使自旋自然趨于一致，從而抵抗外部干擾帶來的去相干影響。這種方法無需傳統(tǒng)磁屏蔽，也不依賴極低溫或特殊磁場設(shè)置，更加簡潔高效。
“就像數(shù)百個陀螺儀在一個盒子里高速旋轉(zhuǎn)并不斷碰撞，這束激光就像一名指揮家，讓它們在激烈的環(huán)境中依舊保持和諧旋轉(zhuǎn)。”耶路撒冷希伯來大學(xué)在新聞公報中介紹。
研究人員說，這項研究展示了如何借助光與原子自旋間的相互作用，在更廣泛的現(xiàn)實條件下保持量子態(tài)的穩(wěn)定。這種技術(shù)可廣泛應(yīng)用于量子磁力儀、量子導(dǎo)航系統(tǒng)、無需衛(wèi)星支持的精準(zhǔn)定位設(shè)備，乃至量子信息存儲等領(lǐng)域。由于該技術(shù)可在“溫暖環(huán)境”下運行，無需復(fù)雜低溫系統(tǒng)與繁瑣調(diào)試，其在醫(yī)療成像、考古探測、航天探索等領(lǐng)域的實際應(yīng)用前景廣闊。
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以色列和美國的研究人員日前在美國《物理評論快報》上發(fā)表論文說，他們合作發(fā)現(xiàn)了一種利用激光束保護原子“自旋”不受干擾的全新方法，為提升量子傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的穩(wěn)定性和實用性打開新路徑。
在量子技術(shù)中，原子內(nèi)部的磁性取向（即“自旋”）是存儲和感知信息的核心。然而，當(dāng)原子相互碰撞或撞擊容器壁時，自旋容易失去同步，即所謂“自旋弛豫”現(xiàn)象，導(dǎo)致信息丟失。長期以來，這一問題限制了量子設(shè)備的性能與穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)上，科學(xué)家往往通過在極低磁場環(huán)境中結(jié)合復(fù)雜笨重的磁屏蔽結(jié)構(gòu)來延緩這種信息丟失。來自耶路撒冷希伯來大學(xué)和美國康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，使用一束經(jīng)過精確調(diào)諧的激光照射原子氣體，可顯著降低這一信息丟失速度。研究團隊通過對溫?zé)岬匿C蒸氣進行實驗，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可使原子的自旋保持同步，即使在頻繁碰撞或與容器壁接觸的條件下，仍能保持較長時間的“相干態(tài)”。實驗結(jié)果顯示，原子自旋的衰減速度減少了約90%，磁靈敏度顯著增強。
研究人員將這項技術(shù)稱為“光學(xué)保護”，它通過激光細致調(diào)整原子能級，使自旋自然趨于一致，從而抵抗外部干擾帶來的去相干影響。這種方法無需傳統(tǒng)磁屏蔽，也不依賴極低溫或特殊磁場設(shè)置，更加簡潔高效。
“就像數(shù)百個陀螺儀在一個盒子里高速旋轉(zhuǎn)并不斷碰撞，這束激光就像一名指揮家，讓它們在激烈的環(huán)境中依舊保持和諧旋轉(zhuǎn)。”耶路撒冷希伯來大學(xué)在新聞公報中介紹。
研究人員說，這項研究展示了如何借助光與原子自旋間的相互作用，在更廣泛的現(xiàn)實條件下保持量子態(tài)的穩(wěn)定。這種技術(shù)可廣泛應(yīng)用于量子磁力儀、量子導(dǎo)航系統(tǒng)、無需衛(wèi)星支持的精準(zhǔn)定位設(shè)備，乃至量子信息存儲等領(lǐng)域。由于該技術(shù)可在“溫暖環(huán)境”下運行，無需復(fù)雜低溫系統(tǒng)與繁瑣調(diào)試，其在醫(yī)療成像、考古探測、航天探索等領(lǐng)域的實際應(yīng)用前景廣闊。
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