令人难以置信的好传感器

单磁振检测器中感兴趣模式的示意图。铁磁晶体中的集体自旋激发的统一处理模式称为Kittel模式，通过微波腔模式相干耦合到超导量子位。图片来源：?Dany Lachance-Quirion

东京大学先进科学技术研究中心（RCAST）的科学家展示了一种通过奇异的量子纠缠力将磁球与传感器耦合的方法。他们表明，通过一次测量就可以检测到球中甚至存在单个磁激发。这项工作代表了可以与磁性材料相互作用的量子系统的重大进步。

想象一下，如果有一个传感器足够强大，可以一次扫地告诉您附近的干草堆中是否装有针头。这样的设备似乎只可能存在于科幻小说中，但是，利用量子力学最与直觉相反的效果之一，这种灵敏度水平可以成为现实。纠缠是量子力学核心的奇异过程，它允许链接的粒子在很长的距离内立即相互作用，它曾经被爱因斯坦称为“远距离的诡异动作”。

实验已经证实，量子力学允许这样的情况，即系统的各个部分不再可以单独描述，而是从根本上被纠缠在一起，从而对一个部分的测量会自动确定另一个部分的命运。例如，两个电子可能发生纠缠，因此它们都指向上方或指向下方，因此立即测量一个会影响另一个电子的状态。第一作者Dany Lachance-Quirion博士说：“纠缠已经在量子力学教科书中使用了数十年，但是生产带有它的非常灵敏的探测器的应用才刚刚开始实现。”

在RCAST上进行的实验中，一毫米大小的钇铁石榴石球体与作为传感器的超导约瑟夫森结量子位放在同一谐振腔中。由于球体与谐振腔以及腔体与量子位之间的耦合，如果球中不存在磁激发，则只能通过电磁脉冲来激发量子位。然后，读取量子位的状态即可揭示球体的状态。

“通过使用单次检测而不是平均，我们可以使我们的设备既灵敏又快速”，中村康信教授解释说。“这项研究可能会为功能强大的传感器开辟道路，以帮助寻找理论上称为黑轴的暗物质粒子。”

这项工作在《科学》杂志上发表，名称为“基于纠缠的具有超导量子位的单个磁振子的单发检测”。

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